книги из ГПНТБ / Гречишкин В.С. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах

В . С Г р е ч и ш к и н

ЯДЕРНЫЕ

КВАДРУПОЛЬНЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

В. С. ГРЕЧИШКИН

ЯДЕРНЫЕ

КВАДРУПОЛЬНЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

М о с к в а 1973

§4. Совместное использование нескольких методов изу­ чения ядерных квадрупольных взаимодействий в

ВВЕДЕНИЕ

Изучение ядерных квадрупольных взаимодействий в твердых телах, начавшееся более 20 лет назад и быстро развивающееся в последние годы, представляет интерес для физики и химии твердого тела, ядерной физики и тео­ ретической химии. К настоящему времени литература, посвященная разработке и применениям только метода ядерного квадрупольного резонанса, насчитывает около полутора тысяч работ.

Изложить все, что сделано в области ЯКР, все основ­ ные подходы к исследованию в рамках одной книги не представляется возможным. Как и в любой развивающей­ ся области со сложившимся фронтом исследований, суще­ ствующая литература не равнозначна. Часть этих работ связана с развитием определенных направлений исследо­ ваний, другая часть посвящена измерениям постоянных квадрупольного взаимодействия в конкретных объектах на различных элементах периодической таблицы.

Эта вторая группа работ получила в данной книге меньшее отражение, чем первая. Конкретные данные мож­ но найти в уже опубликованных таблицах в обзорах [1—7], поэтому приведенные в книге таблицы исследованных веществ носят лишь иллюстративный характер.

Квадрупольные взаимодействия в настоящее время изучаются в ионных и молекулярных кристаллах, полиме­ рах, металлах и стеклах. В экспериментах получаются сведения о константах квадрупольного взаимодействия, которые являются произведением электрического квадру­ польного момента ядра на градиент электрического поля. Последний создается главным образом р-электро- нами, участвующими в образовании химической связи, а также точечными зарядами и электрическими дицрл.ями р случае ионных кристаллов,

fi ВВ ЕД ЕН И Е

Первые эксперименты по изучению ядерных квадрупольных взаимодействий в твердых телах относятся к 1950 г., когда Паунд [8] изучил расщепление линий ядерного магнитного резонанса (ЯМР), вызываемое квадрупольными взаимодействиями, а Демельт и Крюгер [9] наблюдали поглощение без наложения внешнего магнит­ ного поля (ЯКР). Эти две основополагающие работы опре­ делили дальнейшие направления исследований.

К настоящему времени опубликовано много хороших обзоров, посвященных квадрупольным взаимодействиям: по ЯКР [1 -3 , 10-14]; по ЯМР [6, 15]; по ЯКР и ЯМР [16]. Краткие обсуждения этой проблемы имеются в ряде книг [17—21]. Однако все эти обзоры и книги не охваты­ вают проблему в целом. Монографические обзоры Даса и Хана [11], а также Коэна и Райфа [15], написанные более15 лет назад, естественно, уже в значительной мере устарели. Кроме того, они совершенно лишены ссылок на работы со­ ветских авторов и мало доступны советскому читателю.

Настоящая монография основана на лекциях, прочи­ танных автором во Всесоюзной школе по ЯМР и ЯКР в Севастополе (сентябрь 1968 г.), Всесоюзной школе по тео­ ретической химии под Ленинградом (июнь 1969 г.), междуна­ родной школе по ЯКР в Риме (октябрь 1967 г.) и в Лейп­ цигском университете (октябрь 1971 г.).

Различные методы, применяемые для изучения ядер­ ных квадрупольных взаимодействий в твердых телах, сильно перекрываются, когда дело касается изучения внешних воздействий (температура, давления, электри­ ческое поле и т. д.) на константы квадрупольного взаимодейстшя и интерпретации полученных данных в рамках электронной теории твердых тел. Поэтому рассмотрение таких вопросов проведено на примерах из области ЯКР. В конце концов не столь уж важно, какой метод исполь­ зован для экспериментального определения постоянной квадрупольного взаимодействия. Однако поскольку ЯКР является одним из старейших методов, многие вопросы были наиболее полно освещены в литературе на его приме­ ре. Достаточно сказать, что с помощью метода ЯКР ядерные квадрупольные взаимодействия изучены более чем

в3000 кристаллах.

Вкниге не обсуждаются методы определения констант квадрупольного взаимодействия из микроволновых спект­

отношение к проблеме ядерных квадрупольных взаимо­ действий в твердых телах. Следует принять во внимание и тот факт, что в то время как ЯМР посвящено на русском языке много книг [17, 18, 22, 23, 24], в которых обсуж­ даются ядерные квадрупольные взаимодействия, то по ЯКР литература гораздо беднее. Книга Г. К. Семина, Т. А. Бабушкиной и Г. Г. Якобсона «Применения ЯКР в химии» [25] лишь отчасти восполняет пробел в литературе по ЯКР на русском языке. Не лучше обстоит дело и с ли­ тературой по электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) [19, 20], ядерному гамма-резонансу (ЯГР) [21].

Изложение материала в книге основано на предположе­ нии, что читатель знаком с теорией матриц и квантовой механикой в пределах обычного университетского курса. Как нам представляется, назрела необходимость в книге по ЯКР, так или иначе освещающей круг вопросов, вошед­ ших в нашу монографию,— это и заставило автора взять на себя ответственность за ее написание. Естественно, имело значение и направление личных исследований ав­

ниана.

В первых двух главах изложены основы физической теории ядерного квадрупольного резонанса — частоты и интенсивности линий, температурная зависимость частот, теория нестационарных методов. В главе III подробно описана техника эксперимента ЯКР. Проблеме квадрупольной релаксации посвящена глава IV.

Во второй части книги изложены методы расчета фе­ номенологических констант, что дает возможность рас­ смотреть эффекты Штернхаймера и Штарка.

Главы V—VIII описывают различные применения ЯКР к изучению внутренних движений и фазовых перехо­ дов, исследованию природы химических связей, межмо­ лекулярных соединений, дефектов. В главе IX излагается техника определения констант квадрупольного взаимодей­ ствия из расщеплений линий в ЯМР, ЭПР и ЯГР. В этой же главе проведено сравнение возможностей разных ме­ тодов.

В книге применяются общепринятые обозначения [26].

8 ВВ ЕД ЕН И Е

* * *

Мысль о написании книги по ядерным квадрупольным взаимодействиям в твердых телах возникла у меня еще в 1960 г. в процессе составления таблицы частот ядерного квадрупольного резонанса, однако первый вариант руко­ писи был завершен лишь к 1963 г. Последующая работа показала важность импульсных методов, что потребовало коренной переработки рукописи. Можно с уверенностью сказать, что это работа никогда не была бы закончена, если

С. И. Гущина, В. П. Анферова, В. А. Шишкина. Отдель­ ные разделы этой книги обсуждались на семинарах по ЯКР, использовались аспирантами при работе с литерату­ рой. Большую помощь при подготовке рукописи к печати оказали мне Р. В. Гречишкина и А. Д. Гордеев. Всем им я выражаю искреннюю признательность за помощь и многочисленные критические замечания.

Изучение ядерных квадрупольных взаимодействий в твердых телах столь быстро развивается, что написание книги, посвященной данной теме, встретило ряд трудно­ стей, связанных с отбором литературы. Поэтому автор будет благодарен за все критические замечания, кото­ рые могут быть высказаны читателями книги.

Калининград, март 1973 г.