спин-спиновое взаимодействие

СПИН-СПИНОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - магн. взаимодействие между спиновыми магн. моментами электронов, атомных ядер, парамагн. атомов и ионов. Энергия С--с. в. зависит от взаимной ориентации спинов этих частиц. Благодаря своей релятивистской природе С--с. в., как правило, значительно слабее др. взаимодействий (электростатических, обменных и др.), определяющих структуру энергетич. уровней атомных и молекулярных систем. Поэтому С--с. в. определяет обычно лишь малое расщепление или уширение спектральных линий (см. Радиоспектроскопия, Спектроскопия). В простейших случаях величина С--с. в. определяется диполь-дипольным взаимодействием спиновых магнитных моментовчастиц i, j и имеет энергию порядка, где r - расстояние между частицами. Для типичных атомных масштабов величина оказывается порядка 10^-4-10^-5, 10^-7-10^-8 и 10^-11 эВ соотв. для электрон-электронного, электронно-ядерного и ядерно-ядерного взаимодействий.

Электрон-электронное С--с. в. в свободных атомах и ионах приводит лишь к малому сдвигу энергетич. уровней, не вызывая их расщепления. В молекулах, где центр. симметрия нарушена, такие расщепления возникают и дают вклад в мультиплетную тонкую структуру спектров (т. н.-уровни; см. Молекула ).Аналогичный эффект возникает и при понижении симметрии во внутрикристаллическом поле твёрдого тела.

Электронно-ядерное С--с. в. между орбитальными электронами атома (иона, молекулы) и обладающим спином ядром атома приводит к сверхтонкой структуре спектров, обусловленной зависимостью энергии атома от ориентации ядерного спина I в магн. поле, созданном суммарным спином электронов S (см. Сверхтонкое взаимодействие). Аналогичная сверхтонкая структура наблюдается и в спектрах электронного парамагнитного резонанса, где она обусловлена С--с. в. неспаренных электронов парамагн. центров (см. Парамагнетизм)как с их собств. ядрами, так и с ядрами ближайших соседей (суперсверхтонкая структура).

В электронных парамагнетиках С--с. в. между парамагн. центрами в значит. степени определяет форму и ширину линий ЭПР. В этом случае принято понимать термин «С--с. в.» более широко: кроме магнитной (диполь-дипольной) энергии к нему относят и обменное взаимодействие, к-рое также зависит от взаимной ориентации спинов и формально рассматривается как «псевдодипольное».

С--с. в. между ядрами атомов, входящих в кристаллич. решётку твёрдого тела, определяет форму линий ядерного магнитного резонанса и даёт информацию о структуре вещества и внутр. атомно-молекулярных движениях. В жидкостях быстрое тепловое движение атомов и молекул приводит к тому, что анизотропная часть ядерно-ядерного С--с. в., усредняясь, уменьшается практически до нуля. Это ведёт к резкому сужению линий и повышению разрешающей способности ЯМР. Сходных результатов можно достигнуть и в твёрдых телах за счёт быстрого вращения образца либо с помощью спец. радиочастотных полей, заставляющих ядерные спины быстро менять свою ориентацию. Косвенное ядерное С--с. в., обусловленное очень слабым взаимодействием ядерных спинов I_i и I_j через общую электронную систему молекулы, носит изотропный характер и поэтому не усредняется. Оно образует малые (~1 Гц) мультиплетные расщепления в спектрах ЯМР высокого разрешения. Эти расщепления не зависят от величины внеш. магн. поля и могут быть использованы для классификации и структурного анализа сложных молекул и их фрагментов.

С--с. в. играет важную роль в динамике многочастичных спиновых систем. Оно приводит к взаимным переворотам взаимодействующих спинов (электронных либо ядерных), что обеспечивает процессы поперечной релаксации магнитной, спиновой диффузии и ведёт к установлению спиновой температуры в парамагн. твёрдых телах. С--с. в. между электронами парамагн. центров и окружающими ядрами определяет, кроме того, процессы магн. релаксации и динамич. поляризации ядер (см. Оверхаузера эффект).

В магнитоупорядоченных веществах (ферро- и антиферромагнетиках) С--с. в., наряду с внутрикристаллич. полем, даёт вклад в магнитную анизотропию, играет решающую роль в образовании магнитной доменной структуры. Существуют также соединения (в основном с участием редкоземельных элементов), магн. упорядочение в к-рых вообще обусловлено не обменным, а дипольным С--с. в. (дипольные магнетик и).

Лит.: Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972; Абрагам А., Гольдман М., Ядерный магнетизм: порядок и беспорядок, пер. с англ., т. 1-2, М., 1984; Л у н д и н А. Г., Ф е д и н Э. И., ЯМР-спектроскопия, М., 1986. В. А. Ацаркин.

   <<      Предметный указатель      >>