Спиновые состояния ядерного остова

В ряде случаев при описании строения молекул полезно учитывать тот факт, что многие атомные ядра имеют спиновой момент S. Каждый такой вектор характеризуется постоянным модулем | S | и набором допустимых ориентаций в пространстве. Величину модуля удобно выражать через спиновое квантовое число S, а ориентации — через проекции вектора спина на некоторую ось (z), причем каждой такой проекции соответствует значение магнитного спинового числа M_S.

Например, молекула водорода содержит два ядра. Каждое из них имеет спин, модуль которого задается спиновым числом S = 1/2. Каждый из этих векторов спина может находиться в одном из двух состояний:

состояние a: S = 1/2; M_S. = +1/2

состояние b: S = 1/2; M_S. = –1/2

Следовательно, ядерный остов молекулы водорода можно обнаружить в одном из четырех возможных состояний: aa, ab, ba, bb. Если молекула изолирована от окружающей среды, то спиновая ядерная конфигурация практически не влияет на ее энергию и свойства. Если, однако, наложить на молекулу внешнее магнитное поле, то энергия молекулы будет существенно зависеть от ориентации ядерных спинов относительно внешнего поля. Причиной такой зависимости является то обстоятельство, что с каждым спиновым моментом ядра всегда связан магнитный момент m. Взаимодействие каждого магнитного момента с магнитным полем, имеющим напряженность Н, приводит к изменению энергии на величину D Е = –m Н (при ориентации вектора m "по полю") и D Е = +m Н (при ориентации вектора m "против поля").

Расщепление единого энергетического уровня на подуровни приводит к возможности квантовых переходов при действии электромагнитного излучения. Эти переходы лежат в радиочастотной области спектра. Их исследование составляет содержание важного экспериментального метода изучения молекул — спектроскопии ЯМР (ядерного магнитного резонанса). Высокая эффективность ЯМР-спектроскопии обусловлена тем, что вид спектра очень чувствителен к особенностям химического строения молекулы, таким как распределение электронной плотности в окрестностях ядер, расстояния между ядрами и др. Для иллюстрации рассмотрим две изомерные молекулы: диметиловый эфир Н₃С–О–СН₃ и этанол СН₃–СН₂–О–Н. Обе молекулы содержат по шесть протонов. В молекуле диметилового эфира все протоны химически эквивалентны (т.е. имеют одинаковое окружение). В молекуле этанола имеются три типа протонов, имеющих разное окружение. В результате разного строения молекул ЯМР-спектры диметилового эфира и этанола оказываются принципиально различными. Первый содержит один пик, а второй — три, причем их площади соотносятся как 3:2:1, в соответствии с числами протонов в составе метильной группы (СН₃–), метиленовой группы (–СН₂–) и гидроксильной группы (–ОН).

В общем случае число ядерных спиновых состояний может быть очень велико. Его можно выразить формулой-произведением:

N = (2 S ₁ + 1)(2 S ₂ +1) … (2 S_n + 1)

где S_i — спиновое число i -го ядра. Соответственно, ЯМР-спектры многоядерных молекул весьма сложны. Тем не менее, они поддаются расшифровке, и из них можно извлечь важные сведения о строении молекулы. Во многих случаях ЯМР-спектроскопия является единственным методом, позволяющим добывать необходимую структурную информацию.

Вопросы для самоконтроля

1. С помощью справочника найдите примеры атомных ядер, имеющих ненулевой спин. В состав каких молекул входят эти ядра?

2. Почему энергия молекулы, помещенной в магнитное поле, зависит от спинового ядерного состояния? Как оценить изменение энергии состояния количественно?

3. В каком диапазоне спектра лежат квантовые переходы между разными ядерными спиновыми состояниями?

4. Для решения каких химических задач применяется ЯМР-спектроскопия?

Рекомендуемая литература

Дата добавления: 2015-07-20