Vật liệu từ phần 1 pptx

2.2 DIPOLE TỪ TRONG TỪ TRƯỜNG MOMENT LỰC TÁC ĐỘNG LÊN DIPOLE Khi đặt dipole trong một từ trường ngoài, từ trường sẽ tác động lên dipole một moment lực có dạng: B  2.2.1 Do đó, dip

VẬT LIỆU TỪ (PHẦN 1)

Biên soạn: Lê Quang Nguyên

1 NAM CHÂM

Ngày nay nam châm hay vật liệu từ nói chung đã xâm nhập

vào nhiều lãnh vực của cuộc sống Nếu chỉ giới hạn trong cuộc

sống gia đình, bạn có thể tìm thấy nam châm trong động cơ

điện, máy thu hình và đầu video, chuông điện, máy điều hoà

nhiệt độ, loa, đầu stereo, đĩa mềm … và trong nhiều dụng cụ

khác nữa Trong khoa học và công nghiệp cũng có hàng ngàn

ứng dụng của nam châm, trong đó chúng ta có thể kể kỹ thuật

soi bằng cộng hưởng từ dùng trong y khoa (MRI, Magnetic

Resonance Imaging) , xe lửa cao tốc chạy trên đệm từ …

Mỗi nam châm đều có hai cực, gọi là cực Bắc và cực Nam, các

đường sức từ đi ra khỏi cực Bắc và đi vào cực Nam Chúng ta

không thể tách rời hai cực bằng cách bẻ đôi một nam châm

được Khi bẻ đôi một nam châm chúng ta sẽ thu được hai nam

châm chứ không phải là hai cực Bắc, Nam riêng rẽ Giả sử bạn

có thể bẻ một thanh nam châm cho đến khi thu được các

nguyên tử và electron, thì khi đó bạn vẫn không thể có được

các cực từ cô lập (monopole từ) Các nhà vật lý thường nói về

điều đó như sau: Cấu trúc từ đơn giản nhất trong tự nhiên là

dipole từ Trong tự nhiên không có monopole từ

Dipole từ cơ sở trong tự nhiên là electron Tính chất từ của

electron là yếu tố quyết định tính chất từ của mọi vật chất

2 DIPOLE TỪ

2.1 MOMENT TỪ VÀ TỪ TRƯỜNG CỦA DIPOLE

Mỗi dòng điện nhỏ khép kín là một dipole từ Moment từ của

một dipole được định nghĩa như sau:

ISn

 

(2.1.1)

Trong đó I là cường độ dòng điện, S là diện tích giới hạn trong

vòng dây, còn n

là vectơ đơn vị pháp tuyến của vòng dây Để

thống nhất cách chọn chiều cho n

, người ta quy ước chọn n hướng theo chiều thuận đối với chiều dương của dòng điện

(hình 2.1.1)

Ở khoảng cách lớn so với kích thước của dipole thì từ trường

do dipole tạo nên có dạng:

0

3

0

3

2 cos

4

sin

4

r

B

r

B

r





  







(2.1.2)

Trong đó r,  là các toạ độ cực và dipole được đặt tại gốc của

hệ toạ độ có trục z hướng theo moment từ của dipole (hình

2.1.2)

Hình 2.1.3 cho thấy các đường sức từ của một dipole ở khoảng

cách lớn so với kích thước của nó Một nam châm nhỏ cũng có

các đường sức từ có hình dạng tương tự như vậy Sau này, để

I

n

Hình 2.1.1 Dipole từ



B r

B 



Hình 2.2.2

có thể dễ dàng hình dung tác động của một từ trường ngoài lên

dipole, ta có thể coi dipole như một thanh nam châm nhỏ, với

moment từ hướng từ cực Nam đến cực Bắc

2.2 DIPOLE TỪ TRONG TỪ TRƯỜNG

MOMENT LỰC TÁC ĐỘNG LÊN DIPOLE

Khi đặt dipole trong một từ trường ngoài, từ trường sẽ tác động

lên dipole một moment lực có dạng:

B



(2.2.1)

Do đó, dipole sẽ quay sao cho moment từ của nó song song với

từ trường ngoài, cũng giống như một thanh nam châm định

hướng trong từ trường ngoài

LỰC TÁC ĐỘNG LÊN DIPOLE

Trong một từ trường đều thì lực tổng hợp đặt lên dipole bằng

không, nhưng khi ở trong một từ trường không đều thì dipole

cũng bị hút hay đẩy y hệt như một nam châm Lực tổng hợp

tác động lên dipole được xác định bởi:

  

(2.2.2)

Trong trường hợp từ trường chỉ thay đổi dọc theo một trục z

như trên hình (2.2.1) thì lực tổng hợp cũng nằm theo trục z:

cos

F

Với  là góc giữa momen từ và trục z

THẾ NĂNG CỦA DIPOLE

Thế năng của một dipole từ trong từ trường ngoài có dạng:

U B

(2.2.4) 2.3 DIPOLE TỪ TRONG VẬT CHẤT

Như đã trình bày trong phần 1, dipole từ cơ sở của vật chất là

electron Electron trong nguyên tử có thể tạo nên hai loại

moment từ khác nhau: moment từ quỹ đạo và momen từ spin

MOMENT TỪ QUỸ ĐẠO

Electron trong nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân, tạo nên

một dòng điện kín có moment từ khác không Moment từ này

tương ứng với chuyển động của electron trên quỹ đạo nên được

gọi là moment từ quỹ đạo

MOMENT TỪ SPIN

Tuy không hoàn toàn chính xác, nhưng electron có thể coi như

một con quay nhỏ, moment động lượng ứng với chuyển động

quay này được gọi là spin, còn moment từ tương ứng được gọi

là moment từ spin

Vì electron mang điện âm nên moment từ quỹ đạo ngược chiều

với moment động lượng quỹ đạo (gọi tắt là moment quỹ đạo),

Hình 2.1.3 Từ trường của dipole từ

Hình 2.2.1 Lực tác động lên dipole từ

còn moment từ spin thì ngược chiều với moment spin Moment

quỹ đạo và moment spin của các electron riêng lẻ trong nguyên

tử tổng hợp với nhau để tạo nên moment động lượng toàn phần

(gọi tắt là moment toàn phần) của nguyên tử Tương ứng với

moment toàn phần này là moment từ toàn phần ngược chiều

với nó Đối với một số nguyên tử, như neon chẳng hạn, đóng

góp của các electron khác nhau triệt tiêu lẫn nhau, vì thế cả

moment toàn phần lẫn moment từ toàn phần đều bằng không

Tuy nhiên, đối với nhiều loại nguyên tử khác thì moment toàn

phần và moment từ toàn phần khác không, do đó tạo nên từ

tính cho vật chất

THÍ NGHIỆM EINSTEIN-DE HAAS

Vào năm 1915, Einstein và De Haas đã thực hiện một thí

nghiệm để chứng minh sự liên hệ giữa moment động lượng

nguyên tử và từ tính của vật chất

Thí nghiệm Einstein-De Haas được mô tả sơ lược trên hình

2.3.1 Ban đầu từ trường trong ống dây bằng không, các

moment từ nguyên tử trong thanh sắt có định hướng ngẫu

nhiên, và moment động lượng nguyên tử cũng thế (không vẽ

trên hình) Khi dòng điện đi qua ống dây thì từ trường của ống

dây sẽ định hướng các moment từ nguyên tử theo một chiều

duy nhất Các moment nguyên tử cũng phải sắp xếp thẳng

hàng như vậy, nhưng theo chiều ngược lại, tạo nên một

moment động lượng nguyên tử tổng hợp hướng ngược chiều

của từ trường Vì moment động lượng được bảo toàn nên thanh

sắt phải quay để tạo nên một moment động lượng hướng

ngược lại, tức là cùng chiều với từ trường

3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ CHÍNH

3.1 VẬT LIỆU THUẬN TỪ

Đối với đa số các nguyên tử và ion, moment từ của các

electron triệt tiêu lẫn nhau, do đó moment từ tổng hợp bằng

không Đối với một số nguyên tử và ion khác thì hiệu ứng từ

của các electron không khử lẫn nhau hoàn toàn, tạo nên một

moment từ nguyên tử khác không Đó là trường hợp của các

nguyên tố chuyển tiếp như Mn2+, đất hiếm như Gd3+, và các

nguyên tố thuộc họ Actinide như U4+ Chúng được gọi chung

là các vật liệu thuận từ

Khi đặt một mẫu chất thuận từ vào một từ trường ngoài thì các

moment từ nguyên tử có xu hướng quay theo từ trường ngoài,

tạo nên một moment từ toàn phần khác không, khiến cho mẫu

chất có từ tính

ĐỘ TỪ HOÁ

Để đặc trưng cho tính chất từ của một chất, người ta dùng một

đại lượng gọi là độ từ hoá, ký hiệu M Độ từ hoá được định

nghĩa là moment từ của một đơn vị thể tích của chất đang xét

(có đơn vị là A/m)

Khi tất cả các nguyên tử trong mẫu chất thuận từ đều hướng

hoàn toàn theo từ trường ngoài thì độ từ hoá của mẫu chất đó

đạt giá trị cực đại n, với n là mật độ nguyên tử và  là

moment từ nguyên tử Tuy nhiên, sự sắp xếp các moment từ

Hình 2.3.1 Thì nghiệm Einstein-De Haas

nguyên tử bị chuyển động nhiệt ngăn trở, do đó độ từ hoá đạt

được thường nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cực đại n

ĐỊNH LUẬT CURIE

Năm 1895 Pierre Curie đã thiết lập một định luật thực nghiệm,

mà sau đó được gọi là định luật Curie, theo đó độ từ hoá của

một vật liệu thuận từ tỷ lệ với từ trường B và tỷ lệ nghịch với

nhiệt độ T:

B

T

C là một hằng số, gọi là hằng số Curie Định luật Curie phản

ánh điều mà chúng ta chờ đợi nếu chỉ dùng trực giác vật lý: từ

trường càng mạnh thì các moment từ được sắp xếp trật tự hơn,

ngược lại khi nhiệt độ tăng thì chuyển động nhiệt gia tăng làm

phá vỡ sự định hướng moment từ Tuy nhiên, định luật Curie

chỉ có thể áp dụng được khi tỷ số B/T không quá lớn Theo

định luật Curie thì M có thể tăng vô hạn, trong khi đó chúng ta

biết là độ từ hoá không thể vượt quá giá trị n được Hình

(3.1.1) cho thấy hiệu ứng bão hoà này của một mẫu muối

Cr-Ka sulfate

Trên thực tế rất khó đạt được trạng thái định hướng hoàn toàn

trong một mẫu chất thuận từ Ngay ở nhiệt độ 1,3 K, để đạt

được 99,5 % độ từ hoá cực đại cho muối Cr-Ka sulfate, ta phải

dùng một từ trường khoảng 5 T

3.2 VẬT LIỆU NGHỊCH TỪ

Trong một chất nghịch từ thì các nguyên tử không có moment

từ riêng khác không Tuy nhiên khi đặt trong một từ trường

ngoài thì các nguyên tử sẽ có moment từ cảm ứng ngược với từ

trường đó Do đó một mẫu chất nghịch từ có xu hướng đẩy từ

trường ra khỏi nó

Hiệu ứng nghịch từ là một hệ quả của định luật cảm ứng điện

từ Khi các dòng điện electron trong nguyên tử đột nhiên được

đặt trong từ trường ngoài thì từ thông xuyên qua chúng tăng

lên, các dòng điện electron cảm ứng sẽ xuất hiện để chống lại

điều đó, và các dòng này tạo ra các moment từ có chiều ngược

với từ trường ngoài

Vì là biểu hiện của định luật cảm ứng điện từ nên hiệu ứng

nghịch từ xảy ra trong mọi nguyên tử Thế nhưng, nếu nguyên

tử có moment từ riêng khác không, thì hiệu ứng nghịch từ bị

che khuất bởi các hiệu ứng từ khác mạnh hơn nhiều như thuận

từ và sắt từ

3.3 VẬT LIỆU SẮT TỪ

Nguyên tử của các chất sắt từ cũng có moment từ nguyên tử

khác không, nhưng khác với các chất thuận từ, chúng có độ từ

hoá khác không ngay cả khi không có từ trường ngoài Sắt là

một đại diện tiêu biểu của nhóm vật liệu này, vì thế chúng mới

có tên gọi chung là vật liệu sắt từ Cobalt, Nickel là một số

chất sắt từ tiêu biểu khác

TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI

Hình 3.3.1 Đường cong từ hoá của muối Cr-Ka sulfate

Trong một chất sắt từ các dipole từ được định hướng song song

với nhau, bất chấp chuyển động nhiệt hỗn loạn, thông qua một

loại tương tác đặc biệt gọi là tương tác trao đổi Đây là một

hiệu ứng lượng tử, không thể giải thích bằng các khái niệm của

vật lý cổ điển

NHIỆT ĐỘ CURIE

Nếu nhiệt độ của một chất sắt từ vượt quá một giá trị tới hạn

gọi là nhiệt độ Curie TC thì tương tác trao đổi không thể thắng

được chuyển động nhiệt nữa, chất sắt từ chuyển thành thuận từ

(chuyển pha sắt từ-thuận từ) Sắt có nhiệt độ Curie vào khoảng

770 C

Để khảo sát sự từ hoá của một chất sắt từ, người ta dùng một

từ trường ngoài có độ lớn B0 tăng dần, và ghi lại giá trị B của

từ trường riêng do chất sắt từ tạo nên Từ trường riêng B có

một giá trị cực đại Bmax ứng với lúc tất cả các dipole từ nguyên

tử được định hướng hoàn toàn theo từ trường ngoài Đồ thị trên

hình 3.3.1 là một đường cong từ hoá của vật liệu sắt từ Nó có

ý nghĩa tương tự như đường cong trên hình 3.3.1 của chất

thuận từ, cả hai đường đều là thước đo sự sắp xếp trật tự các

dipole từ cơ sở bởi từ trường ngoài

DOMAIN TỪ

Theo hình 3.3.1 thì sự sắp xếp các dipole là hoàn chỉnh vào

khoảng 70 % khi B0 có giá trị khoảng 0,001 T Nếu B0 tăng lên

tới 1 T thì mức độ trật tự tăng lên đến 99,7 % Chúng ta đã biết

là tương tác trao đổi giữ cho các dipole từ song song với nhau,

ngay cả khi từ trường ngoài bằng không Vậy tại sao ở đây từ

trường của mẫu không đạt giá trị cực đại khi B bằng không?

Câu trả lời cho câu hỏi vừa rồi có liên quan đến cấu trúc thực

tế của một mẫu chất sắt từ Ở trạng thái bình thường, không bị

từ hoá, một đơn tinh thể sắt từ được tạo nên bởi nhiều miền có

moment từ định hướng khác nhau, gọi là các domain từ Trong

mỗi domain như vậy các dipole từ được sắp xếp gần như trọn

vẹn Tuy nhiên, các domain lại định hướng khác nhau, moment

từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau, khiến cho mẫu chất không còn

từ tính nữa (hình 3.3.2)

Trên thực tế, một mẫu sắt mà ta thường gặp, như một chiếc

đinh sắt chẳng hạn, là một đa tinh thể gồm nhiều tinh thể nhỏ

sắp xếp hỗn loạn Mỗi tinh thể nhỏ lại gồm nhiều domain định

hướng khác nhau Khi đặt một mẫu sắt như vậy vào một từ

trường ngoài thì các domain có định hướng gần với trường

ngoài sẽ được mở rộng, chiếm chỗ của các domain có định

hướng bất lợi; ngoài ra trong mỗi domain đều có sự định

hướng lại theo chiều từ trường ngoài; chính vì vậy mà mẫu sắt

được từ hoá

HIỆU ỨNG TỪ TRỄ

Khi từ hoá một mẫu sắt từ, nếu ta tăng dần từ trường lên rồi lại

giảm nó trở lại thì đường cong từ hoá trong hai giai đoạn

không trùng với nhau Hình 3.3.3 minh họa hiện tượng đó, với

chiều từ hoá là abcdeb

Hiện tượng đường từ hoá đi và về không trùng nhau được gọi

là hiện tượng từ trễ, và đường cong bcdeb được gọi là đường

Hình 3.3.1 Đường cong từ hoá của chất sắt từ

Hình 3.3.2 Domain từ

từ trễ Chúng ta lưu ý là tại các điểm c và e mẫu sắt từ vẫn

được từ hoá, mặc dù từ trường ngoài bằng không Đó chính là

tính chất từ vĩnh cửu của các nam châm Dường như mẫu sắt từ

còn giữ lại “ký ức” về những gì nó trải qua trước đó “Ký ức”

này của các chất sắt từ được ứng dụng để lưu trữ thông tin trên

các đĩa từ và băng từ

Có thể hiểu hiện tượng từ trễ bằng mô hình các domain từ Sự

mở rộng các domain và định hướng chúng là không hoàn toàn

thuận nghịch Do đó, khi tăng từ trường ngoài lên rồi giảm trở

lại giá trị ban đầu thì các domain không thể trở về cấu hình ban

đầu của chúng một cách trọn vẹn được

4 MOMENT TỪ ELECTRON VÀ NGUYÊN TỬ

Trong cơ học lượng tử, trạng thái của mỗi electron trong

nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử n, l, ml, ms Tên

gọi của chúng lần lượt là số lượng tử chính, số lượng tử quỹ

đạo, số lượng tử từ và số lượng tử spin

4.1 MOMENT TỪ QUỸ ĐẠO

Moment quỹ đạo L của một electron trong chuyển động quanh

hạt nhân bị lượng tử hoá và chỉ có thể có các giá trị gián đoạn

cho bởi hệ thức sau:

Trong đó h2và l là số lượng tử quỹ đạo Đây là số

lượng tử thứ hai trong bốn số lượng tử xác định trạng thái của

một electron Các giá trị được phép của l phụ thuộc vào số

lượng tử chính n:

Chẳng hạn, với n = 1, chỉ có l = 0 là được phép, còn đối với n

= 2 thì chỉ có l = 0 và l = 1

Moment quỹ đạo của electron chỉ có thể quay theo một số

hướng xác định, sao cho hình chiếu của nó trên một trục z nào

đó (thông thường đó là trục của một từ trường ngoài) chỉ có thể

có các giá trị gián đoạn cho bởi:

Với ml là số lượng tử từ, ml có thể lấy các giá trị sau:

Hình 4.1.1 cho thấy các giá trị khả dĩ của Lz khi l = 1, 2 và 10

Với mỗi giá trị của l ta có (2l + 1) giá trị khác nhau của ml

Với l = 10 chúng ta bắt đầu tiến dần tới giới hạn cổ điển, khi

hướng của moment quỹ đạo có thể biến đổi liên tục và lấy bất

kỳ giá trị nào Hiện tượng moment quỹ đạo chỉ có thể định

hướng theo những hướng xác định như vừa mô tả được gọi là

sự lượng tử hoá không gian Hình 4.1.1 Sự lượng tử hoá không gian

Moment từ quỹ đạo của electron gắn liền với chuyển động

quanh hạt nhân của nó, do đó nếu sự định hướng của moment

quỹ đạo bị hạn chế như trên thì sự định hướng của moment từ

quỹ đạo cũng bị hạn chế tương tự như vậy Hình chiếu của

moment từ quỹ đạo trên một trục z nào đó chỉ có thể có các giá

trị gián đoạn cho bởi:

Trong đó B là magneton Bohr:

2

9, 274.10 / 5, 788.10 /

B

e

e

m







(4.1.6)

Dấu trừ trong (4.1.5) cho thấy moment từ quỹ đạo luôn ngược

chiều với moment quỹ đạo Từ (4.1.5) ta cũng có thể nói

magneton Bohr là moment từ cơ sở của vật chất

4.2 MOMENT TỪ SPIN

Dù ở trạng thái liên kết trong nguyên tử hay chuyển động tự

do, mỗi electron đều có một moment động lượng riêng (nội tại)

gọi là spin Nó cũng bị lượng tử hoá không gian như moment

quỹ đạo, nghĩa là các hình chiếu của spin trên một trục z nào

đó chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn cho bởi:

Với ms = 1/2 ms được gọi là số lượng tử spin Bảng 4.2.1 cho

ta tổng kết về các số lượng tử quy định trạng thái của một

electron

Moment từ gắn liền với chuyển động nội tại của electron, gọi

là moment từ spin, cũng bị lượng tử hoá Hình chiếu của nó

trên một trục z nào đó là:

2

4.3 MOMENT TỪ TOÀN PHẦN

Đối với một nguyên tử có nhiều electron, các moment quỹ đạo

và spin của các electron tổ hợp lại để cho moment toàn phần

Tương tự như thế, các moment từ quỹ đạo và spin của các

electron tổ hợp lại để cho moment từ toàn phần của nguyên tử

Moment toàn phần của nguyên tử có độ lớn xác định từ:

J là một số nguyên hay bán nguyên, được xác định như sau:

Trong đó L và S không phải là moment quỹ đạo và spin như đã

dùng cho đến đây, mà là độ lớn của tổng các số lượng tử từ và

các số lượng tử spin của các electron trong nguyên tử Như vậy

Tên Ký hiệu

Giá trị cho phép

Liên quan với

Số giá trị khả

dĩ

Số lượng

tử chính

n 1, 2, 3

…

Năng lượng 

Số lượng

tử quỹ đạo

l 0, 1, 2

… (n-1)

Moment quỹ đạo n

Sồ lượng

tử từ

m l

0, 1,

2 …

l

Moment quỹ đạo 2l+1

Số lượng

tử spin

m s 1/2 Spin 2 Bảng 4.2.1 Các số lượng tử của một electron

L là số nguyên, còn S có thể là số nguyên hay bán nguyên Một

lớp con lấp đầy có L bằng không, còn một orbital lấp đầy có S

bằng không

Hình chiếu của moment toàn phần trên một trục z nào đó bị

lượng tử hoá theo hệ thức:

z

Với

Moment từ toàn phần cũng chịu sự lượng tử hoá không gian:

Với

g = 1 đối với moment quỹ đạo; g = 2 đối với spin

Khi nguyên tử có moment quỹ đạo toàn phần bằng không và

một electron không kết cặp (như trường hợp của nguyên tử

bạc) thì moment toàn phần bằng spin của electron:

1 2

2

g

 



 

(4.3.7)

4.4 THÍ NGHIỆM STERN-GERLACH

Năm 1922, vài năm trước khi cơ học lượng tử ra đời, Otto

Stern và Walter Gerlach đã kiểm chứng bằng thực nghiệm sự

lượng tử hoá không gian Sơ đồ thí nghiệm của họ được mô tả

trên hình 4.3.1

Người ta nung nóng bạc trong một lò điện cho tới khi bay hơi

Các nguyên tử bạc sau đó được phun vào một buồng chân

không qua một lỗ nhỏ Trong buồng chân không, các nguyên

tử bạc đi qua một khe chuẩn trực, rồi qua khoảng giữa hai cực

của một nam châm điện, và cuối cùng đến đập vào một tấm

thuỷ tinh

Hình dạng các cực của nam châm điệm đã được lựa chọn để

tạo nên một từ trường không đều giữa chúng Từ trường này

càng không đều bao nhiêu càng tốt Các nguyên tử bạc trung

hòa về điện nhưng có moment từ khác không, do đó chúng sẽ

bị lực từ trong phương trình (2.2.3) làm cho lệch đi khi qua từ

trường

Nếu không có sự lượng tử hoá không gian thì các moment từ

sẽ có một phân bố góc liên tục đối với hướng của từ trường và

chùm nguyên tử sẽ bị dãn rộng ra Ngược lại, nếu có sự lượng

tử hoá không gian thì sẽ chỉ có một tập hợp các giá trị gián

Hình 4.3.1 Sơ đồ thí nghiệm Stern-Gerlach

đoạn của góc , do đó chùm nguyên tử phải tách thành một số

vạch gián đoạn

Stern và Gerlach đã không quan sát thấy chùm nguyên tử dãn

rộng ra, mà lại tách thành hai chùm rời nhau (nguyên tử bạc có

moment từ bị lượng tử hoá theo hai hướng ngược nhau nên

chùm nguyên tử bị tách làm hai) Kết quả đó đã chứng tỏ sự

lượng tử hoá không gian của moment động lượng và moment

từ nguyên tử

5 KHOA HỌC, CÔNG NGHỆ VÀ SPIN

5.1 CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

Proton cũng có spin ½ như electron Moment từ của nó cũng

chỉ có một trong hai hướng lượng tử hoá đối với một từ trường

ngoài – cùng chiều hay ngược chiều Độ chênh lệch thế năng

giữa hai định hướng đó là 2pB, đó cũng là công cần thiết để

quay dipole từ của proton một góc 180 trong từ trường ngoài,

làm cho dipole quay từ định hướng ngược với từ trường thành

định hướng cùng chiều với từ trường

Ta hãy xét một proton trong một giọt nước chẳng hạn Đặt giọt

nước trong một từ trường ngoài và kích thích nó bằng một

sóng điện từ Sự dịch chuyển giữa hai định hướng của moment

từ – được gọi là sự đảo spin – có thể xảy ra khi năng lượng của

photon kích thích bằng độ chênh lệch thế năng giữa hai định

hướng:

2 p

Một cách chính xác thì B trong hệ thức trên là từ trường toàn

phần tại vị trí của proton đang xét, từ trường này gồm từ

trường ngoài Bext và từ trường nội tại Bloca l do các electron và

hạt nhân trong phân tử đang xét tạo nên Vì vậy ta có thể viết

lại hệ thức (5.1.1) như sau:

Sự đảo spin theo hai cách, từ hướng xuống thành hướng lên và

từ hướng lên thành hướng xuống, đều có thể xảy ra với xác

suất như nhau Tuy nhiên, nếu giọt nước ở trạng thái cân bằng

nhiệt thì các spin proton ở trạng thái năng lượng thấp (moment

từ cùng chiều từ trường) nhiều hơn các spin proton ở năng

lượng cao Kết quả là giọt nước luôn luôn hấp thụ năng lượng

điện từ

Kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR – nuclear magnetic

resonance) sử dụng hiện tượng hấp thụ năng lượng khi đảo

spin nêu trên để tìm hiểu thành phần hoá học của vật chất Trên

thực tế, người ta thường giữ cố định tần số sóng điện từ kích

thích và thay đổi từ trường ngoài cho tới khi hệ thức (5.1.2)

được thoả và đo được một cộng hưởng (cực đại của năng

lượng hấp thụ) Ngoài ra cũng có thể giữ cố định từ trường

ngoài và thay đổi tần số của sóng điện từ sao cho có cộng

hưởng hấp thụ Khi đó tần số thoả hệ thức (5.1.2) còn được gọi

là tần số cộng hưởng hay tần số Larmor Trong NMR thì tần số

sóng điện từ được dùng thay đổi từ 60 đến 800 MHz

Hình 5.1.1 giới thiệu một phổ cộng hưởng từ hạt nhân tiêu biểu

của ethanol, CH3–CH2–OH Các cực đại khác nhau đều tương

ứng với sự đảo spin của các proton Tuy nhiên, chúng xảy ra ở

các giá trị khác nhau của từ trường ngoài, vì môi trường địa

phương bao quanh các proton trong phân tử ethanol cũng khác

nhau Phổ cộng hưởng từ trên hình 5.1.1 là “chữ ký” duy nhất

của ethanol, chỉ có ethanol mới có chữ ký đó Mỗi chất hoá

học đều có một chữ ký duy nhất trong kỹ thuật cộng hưởng từ

hạt nhân Vì vậy cộng hưởng từ hạt nhân là một kỹ thuật phân

tích hoá học rất chính xác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Physics A General Course, Vol 2, I V Savelyev,

Mir Publishers (Moscow)

[2] Thermodynamics, Statistical Physics and Kinetics, Yu

B Rumer et al, Mir Publishers (Moscow)

[3] Cơ sở vật lý Tập 5: Điện học 2, Hoàng Hữu Thư chủ

biên, Nhà Xuất Bản Giáo Dục, dịch từ Fundamentals of

Physics, David Haliday et al, John Wiley & Sons, Inc

(New York)

[4] Cơ sở vật lý – Tập 6: Quang học và Vật lý lượng tử,

Hoàng Hữu Thư chủ biên, Nhà Xuất Bản Giáo Dục,

dịch từ Fundamentals of Physics, David Haliday et al,

John Wiley & Sons, Inc (New York)

[5] Thermodynamique, 2de année PC-PC*, PSI-PSI*,

Jean-Marie Brebec et al, Hachette Supérieur

Hình 5.1.1 Phổ NMR của ethanol