Tài liệu Vật liệu từ (phần 1)

Vật liệu từ (phần 1) 1 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  n (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). I Hình 2.1.1. Dipole từ. Ở khoảng cách lớn so với kích thước của dipole thì từ trường do dipole tạo nên có dạng: Br  2  cos  Br  0 4 r3   sin  B  0 4 r 3 (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 Hình 2.2.2 r B 2 Vật liệu từ (phần 1) 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:       B B B F  .B   x  y  z x y z Hình 2.1.3. Từ trường của dipole từ. (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: Fz   z B B  cos  z z (2.2.3) 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 2.2.1. Lực tác động lên dipole từ. Vật liệu từ (phần 1) 3 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. Vật liệu từ (phần 1) 4 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: M C B T (3.1.1) 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 CrKa 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. Vật liệu từ (phần 1) 5 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? Hình 3.3.1. Đường cong từ hoá của chất sắt từ. 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. Hình 3.3.2. Domain từ. 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 3.3.3. Đường cong từ trễ. Vật liệu từ (phần 1) 6 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: L   l  l  1 (4.1.1) Trong đó   h 2 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: l = 0, 1, 2, …, (n  1) (4.1.2) 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: Lz  ml  (4.1.3) Với ml là số lượng tử từ, ml có thể lấy các giá trị sau: ml = 0, 1, 2, 3, …, l (4.1.4) 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. 7 Vật liệu từ (phần 1) 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: lz  ml  B (4.1.5) Trong đó B là magneton Bohr: B  e 2me  9, 274.10 (4.1.6) 24 5 J / T  5, 788.10 eV / T 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: S z  ms  (4.2.1) 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:  sz  2ms  B (4.2.2) 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: L   J  J  1 (4.3.1) J là một số nguyên hay bán nguyên, được xác định như sau: J  LS (4.3.2) 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 Bảng 4.2.1. Các số lượng tử của một electron. Ký hiệu Giá trị cho phép Liên quan với Số giá trị khả dĩ n 1, 2, 3 … Năng lượng  l 0, 1, 2 … (n-1) Moment quỹ đạo n Sồ lượng tử từ ml 0, 1, 2 … l Moment quỹ đạo 2l+1 Số lượng tử spin ms 1/2 Spin 2 Tên Số lượng tử chính Số lượng tử quỹ đạo 8 Vật liệu từ (phần 1) 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: Lz  M  (4.3.3) Với M   J ,  J  1,..., J  1, J (4.3.4) Moment từ toàn phần cũng chịu sự lượng tử hoá không gian:  z   gM  B (4.3.5) Với 1 g  2 (4.3.6) 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: J  S 1 2 g2 (4.3.7) z  B 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. Vật liệu từ (phần 1) 9 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: h  2 p B (5.1.1) 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 Blocal 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: h  2  p  Bext  Blocal  (5.1.2) 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. Vật liệu từ (phần 1) 10 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*, JeanMarie Brebec et al, Hachette Supérieur. Hình 5.1.1. Phổ NMR của ethanol.