[科普中國]-核磁子

內(nèi)容簡介

在外磁場中，原子核的自旋角動量是空間量子化的以外磁場B的方向?yàn)閆軸的正向，則核自旋角動量的空間量子化表示為

式中M是核自旋量子數(shù)，對于具有自旋量子數(shù)為I的核，M的取值為-I,-I+1，...，I，共有2I+1個值。對于不同的核，I可能為整數(shù)或半整數(shù)或零。核自旋空間的取向可表示為

式中 ，稱為核磁子，常用作核磁矩的單位。

同時有 ，因此g因子與磁旋比的關(guān)系為

g因子也是一種磁旋比。1

核磁子統(tǒng)計熱力學(xué)計算一般熱力學(xué)系統(tǒng)，如大氣、水、土地以及物理和化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，一般只研究在溫度和壓力場下的變化。實(shí)際上，存在電場、磁場或表面力場的系統(tǒng)，也不少見。當(dāng)處于遠(yuǎn)離地球的外空，要研究重力場的影響。研究電場和磁場下的熱力學(xué)系統(tǒng)不僅有學(xué)科意義而且有重要實(shí)際應(yīng)用。例如，熱電效應(yīng)與電場下的熱力學(xué)有關(guān)，磁鐵礦對氣溫的影響與磁場下的熱力學(xué)有關(guān)，可用統(tǒng)計力學(xué)計算核磁矩的磁性熱力學(xué)函數(shù)，用磁場下的熱力學(xué)研究材料相變及輸運(yùn)性質(zhì)。實(shí)際上，磁化學(xué)和磁性材料等都與磁場下的熱力學(xué)有聯(lián)系。磁場下的熱力學(xué)是一個經(jīng)典學(xué)科，但是也存在問題。對于單組分單相不發(fā)生化學(xué)變化的系統(tǒng)，任意指定兩個獨(dú)立強(qiáng)度性質(zhì)，即兩個自由度，所有強(qiáng)度性質(zhì)都隨之而確定。如果存在磁場，則應(yīng)有三個獨(dú)立強(qiáng)度性質(zhì)。然而，不少文獻(xiàn)仍只選兩個獨(dú)立強(qiáng)度性質(zhì)。例如，只選溫度和磁場兩個獨(dú)立強(qiáng)度變數(shù)而加以證明，這是不正確的。對于單組分單相不發(fā)生化學(xué)變化的系統(tǒng)，一般自由度為2。如要考慮磁場，則自由度為3，只選溫度和磁場強(qiáng)度兩個獨(dú)立強(qiáng)度變數(shù)，則是不正確的。磁場下單組分單相不發(fā)生化學(xué)變化的系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)指定三個強(qiáng)度性質(zhì)，即溫度、壓強(qiáng)和磁場強(qiáng)度，而其它所有強(qiáng)度性質(zhì)都隨之而確定。

基于溫度，壓力和磁場三個獨(dú)立強(qiáng)度性質(zhì)，合理地導(dǎo)出磁場下平衡過程的熱力學(xué)的基本方程組。

對磁性核17O，33S，77Se磁極化和磁性熱力學(xué)函數(shù)的計算，結(jié)果表明，在磁場作用下，溫度增加，則磁極化減小，磁極化能降低，焓函數(shù)和熵函數(shù)增大，吉氏函數(shù)減小，這與磁場下平衡過程的熱力學(xué)的基本特點(diǎn)相符合。而當(dāng)磁場增加時，磁極化增大，磁極化能增加。相比之下，77Se的核磁效應(yīng)最大，這說明77Se的核磁化有一定意義。2