Title: 11. AZ ATOMMAG ELEKTRON
111. AZ ATOMMAG ELEKTRONÁLLAPOTAI
2Maghéj modell
3Nukleonok spinbol származó impulzusmomentuma
(A proton és a neutron 1/2 spinu részecske, mint
az elektron.)
4Maghéj modell
- Az atommag kvantumállapotainak leírására használt
modell - Hasonlít a többelektronos atomok szerkezetének
tárgyalásánál használt modellre, amelyekbol az
elektronhéjak adódnak.(Bonyolultabb annál, mivel
nukleonból kétféle van.)
5Atommagok kvantumállapotának jellemzése(A maghéj
modell szerinti tárgyalás eredménye)
A magok állapotát két kvantumszám jellemzi - I
magspin-kvantumszám - MI mag mágneses
kvantumszám
6A magkvantumszámok lehetséges értékei
I magspin-kvantumszám attól függ, hogy a mag
rendszáma és tömegszáma páros vagy páratlan.
rendszám tömegszám I lehetséges
értékei páros páros csak 0 lehet páros páratl
an félegész számok (1/2, 3/2,
5/2) páratlan páros egész számok
(1,2,3) páratlan páratlan félegész számok
(1/2, 3/2, 5/2)
MI mag mágneses kvantumszám MI I, I-1, ,
-I.
7Az atommag energiája
Mágneses tér távollétében csak I-tol
függ, MI szerint degenerált Mágneses térben
a degenerált szintek MI szerint felhasadnak.
8Atommagok gerjesztése
- Mössbauer effektus I változik, gerjesztés
gamma-fotonnal - Mágneses magrezonancia MI változik (mágneses
térben!), gerjesztés rádióhullámú fotonnal
9Rudolf Ludwig Mössbauer 1929-
"for his researches concerning the resonance
absorption of gamma radiation and his
discovery in this connection of the effect
which bears his name"
10"for their development of new methods for nuclear
magnetic precision measurements and
discoveries in connection therewith"
Felix Bloch
Edward Mills Purcell
1905 - 1983
1912 - 1997
1111.2 Mössbauer-effektus
Az I magspin-kvantumszám megváltozásával járó
átmenet. - Nagy energiájú, g-sugárzás
tartományába esik - Nagyon keskeny sávú
12A Mössbauer-effektus technikája
Sugárforrás olyan magot tartalmazó vegyület,
amely magot a mintában vizsgálni akarunk
Gerjesztett állapot
Alapállapot
Sugárforrásként szolgáló vegyületben gerjesztett
magok radioaktív bomlás során keletkezhetnek.
13Példa 57Fe-mag Mössbauer-abszorpciójának
vizsgálata Sugárforrás 57Co izotóp
14Mössbauer-spektroszkópia
- A Mössbauer-effektus felhasználása kémiai
szerkezetvizsgálatra. - A periódusos rendszer elemeinek mintegy fele
tanulmányozható Mössbauer-spektroszkópiával. - Szükség van eggyel nagyobb rendszámú radioaktív
izotópra, amelynek bomlása során a vizsgált
atommag keletkezik, mégpedig gerjesztett
állapotban. - Néhány gyakran vizsgált mag 57Fe, 119Sn, 121Sb,
125Te.
15Kísérleti technika
g-sugárforrás hangolása Doppler-eltolódással. A
fényforrást a mintához képest mozgatják.
v-t szisztematikusan változtatva mérik az
abszorpciót. Detektor g-sugárzás intenzitását
méro detektor NaI kristály. Egy g-foton a NaI
kristályrács számos I--ionjáról elektront szakít
le. Az így keletkezett áramot elektronsokszorozóva
l erosítik.
16A spektrum jellemzoi
- Kémiai eltolódás az abszorpciós frekvencia
jellemzo az atommagra, de kis mértékben függ az
elektronsuruségtol a mag környezetében, azaz
jellemzo a molekula szerkezetére. - Kvadrupólus felhasadás a kvadrupólus az
atommagok töltéseloszlását jellemzo mennyiség. Ha
a magnak van kvadrupólusa (nem gömbszimmetrikus
elektromos tér), az I kvantumszámmal jellemezheto
energiaszintek felhasadnak. - Mágneses felhasadás mágneses térben az I
kvantumszámmal jellemzett szintek MI-szerint
felhasadnak. Megfigyelheto - a mintát külso mágneses térbe téve
- belso mágneses térrel bíró anyagoknál (pl.
ferromágneses anyagok)
17Fe3(CO)12 - Mössbauer-színképe
1812. MÁGNESES MAGREZONANCIA
1912. 1. Az atommagok abszorpciója mágneses térben
Mössbauer effektus
Mágneses tér távollétében csak I-tol
függ, MI szerint degenerált Mágneses térben
a degenerált szintek MI szerint felhasadnak.
Mágneses magrezonancia
20A mágneses magrezonancia jelensége
Az MI kvantumszám megváltozásával járó átmenet, I
nem változik. Mágneses térben észlelheto
Az abszorpció rádióhullámú tartományba esik.
21Az energiaszintek a mágneses térben történo
felhasadásának oka
(Analógia a H-atommal)
Ha I nem 0, a magnak mágneses momentuma van, ez a
mágneses momentum kölcsönhatásba lép a mágneses
térrel.
22Spin operátor
Jele
Sajátérték egyenletet lehet felírni absz.
értékére és z irányú vetületre.
23sajátértéke
Ps spinhez tartozó imp. momentum
spinre utaló mellékkvantumszám
abszolút érték
24sajátértéke
z irányú komponens
25Spinbol származó mágneses momentum
abszolút érték
z irányú komponens
ge Lande-faktor
hidrogénatomban ge2,0023
26Többelektronos atomokVektormodell
Figyelembe veszi a mozgó elektronok
kölcsönhatását.
27Impulzusmomentum
Elektronok egyedi imp. momentuma nem határozható
meg, csak az összes elektron imp. momentumának
eredoje.
Impulzusmomentum sajátértéke
Több elektronos atom
H-atom
Pálya imp. momentum.
Spinmomentum
Spin-pálya csatolás
L, S, J csoportkvantumszámok
28Magspinbol származó impulzusmomentum és mágneses
momentum.
(Analógia a többelektronos atomokkal)
Impulzusmomentum abszolút értéke
Impulzusmomentum z irányú vetülete
Mágneses momentum abszolút értéke
g Lande-faktormn atommag
Bohr-magnetonja mn mag tömege
Mágneses momentum z irányú vetülete
29Mágneses momentummal rendelkezo részecske
potenciális energiája mágneses térben
Klasszikus fizika
mágneses indukció
Ha a mágneses tér iránya z,
Kvantummechanikában
30Az NMR spektroszkópiában legtöbbet vizsgált
magok 1H, 13C
31MI 1/2 szint energiája
MI -1/2 szint energiája
32MI-szerinti felhasadás függése a mágneses tértol
MI -1/2
E
MI 1/2
331H és 13C NMR-spektrumokban észlelheto átmenet
MI 1/2 MI -1/2 Az átmenet megengedett!
Az elnyelt foton energiája
34Atommagok NMR abszorpciós frekvenciája
mágneses térben
mag Természetes gyakoriság () I (alapáll.) ?
(MHz) 1H 99,98 1/2 42,58 11B 81,17 3/2 13
,66 13C 1,11 1/2 10,70 19F 100,0 1/2 40,06
3512.2 Az NMR színképek jellemzoi I. A kémiai
eltolódás.
36Etil-benzol 1H NMR színképe
37A kémiai eltolódás
- A kémiai eltolódás fogalma az atomra jellemzo
abszorpciós (emissziós, ionizációs) frekvencia
kismértékben függ az atom környezetétol a
molekulában. - Megfigyelheto
- XPS (atomtörzsek ionizációs energiáját mérjük)
- Mössbauer-effektus (atommag energiájának
változása g-foton elnyeléssel) - Mágneses magrezonancia (mágneses térben
felhasadt magenergianívók közötti átmenet
rádióhullámú sugárzás elnyelésével)
38Kémiai eltolódás az NMR-spektrumban
Mágneses tér hatására rendezodik az elektronok
mozgása a magok körül, emiatt megváltozik a
lokális mágneses tér.
árnyékolási tényezopozitív diamágneses
árnyékolásnegatív paramágneses árnyékolás
A kémiai eltolódás miatt megváltozott abszorpciós
frekvencia
39Az NMR-spektrumban a kémiai eltolódással módosult
abszorpciós frekvencia megadása
kémiai eltolódás(a jelenség neve is kémiai
eltolódás!)
n0 megválasztása elvi lehetoség izolált
atommag n-jekonvencionális megoldás egy
kiválasztott vegyület atomjának n-je Leggyakoribb
referenciavegyület TMS elonye az 1H és 13C
spektrumban is egyetlen abszorpciós sáv van.
TMS
40d elonye a n-vel szemben független a mágneses
térerotol.
Példa Hány NMR jel van az etanol 1H spektrumában?
Hány NMR jel van az aceton 1H spektrumában?
A funkciós csoportokra jellemzo, hogy mekkora a
bennük levo 1H, 13C, stb. magok kémiai eltolódása.
4112.3. Az NMR színképek jellemzoi II. A spin-spin
csatolás.
Spin-spin csatolás egy molekulán belüli
NMR-aktív atommagok mágneses momentumai
kölcsönhatásba lépnek egymással, emiatt
megváltozik az összes egymással kölcsönhatásban
lévo mag energiája. A spektrumban ez a sávok
felhasadásában nyilvánul meg.
42Példa
13C spektrumban 121 relatív intenzitású
komponensek 13C és a két 1H mag közötti
kölcsönhatás miatt.
43A CH2-csoport 13C-mag energiája a spin-spin
kölcsönhatás figyelembevételével.
JCH C-H csatolási állandó
Gerjesztés során
MIH1 MIH2 ECH 1/2 1/2 1/2 JCH 1/2 -1/2 0 -1
/2 1/2 0 -1/2 -1/2 -1/2 JCH
44A csatolási állandó függ
- milyen atomok között alakul ki (pl.1H-1H, 1H-13C,
1H-19F, 13C-13C csatolás) - az atomok közötti távolság
- milyen kémiai kötés(ek) van(nak) köztük
Nem függ a mágneses térerotol.
45A csatolási állandó megadása
JCH/h, JHH/h, JCC/h, stb. Hz
46Kémiailag ekvivalens magok - kémiai eltolódásuk
megegyezik Pl. -CH3 3 protonja, - CH2 2
protonja. Mágnesesen ekvivalens magok - olyan
kémiailag ekvivalens magok, amelyek egy másik
kémiailag ekvivalens csoport egyes tagjaival
azonos spin-spin kölcsönhatásban vesznek részt.
47Példa kémiailag ekvivalens magokra
48NMR-spektrum értékelése
Kémiai eltolódások és alapján Spin-spin
csatolások I. rendu spektrum d-k közötti
különbségek sokkal nagyobbak, mint a spin-spin
csatolás okozta felhasadás.Ezek értékelése
viszonylag egyszeru.
49Etil-benzol 1H NMR színképe
50A spin-spin csatolás szabályai az 1H spektrumban
- Az azonos szénatomon lévo protonok nem hasítják
fel egymás jelét, ha mágnesesen ekvivalensek. - A szomszédos szénatomokon lévo protonok közötti
spin-spin csatolás jól látható felhasadást okoz. - A távolabbi szénatomokon lévo protonok közötti
spin-spin csatolás az alifás láncok mentén kicsi,
csak különösen nagy felbontású spektrumokban
észlelheto. Konjugált C-C kötések mentén a
távolabbi protonok között is észlelheto spin-spin
csatolás alakul ki.
51Etil-benzol 1H NMR-spektruma
Felhasadások a CH3-csoport jelében (a CH2 csoport
okozza)
MIH1 MIH2 EHH 1/2 1/2 1/2 JHH 1/2 -1/2 0 -1
/2 1/2 0 -1/2 -1/2 -1/2 JHH
52Etil-benzol 1H NMR-spektruma
Felhasadások a CH2-csoport jelében (a CH3 csoport
okozza)
MIH1 MIH2 MIH3 EHH 1/2 1/2 1/2 3/2
JHH 1/2 1/2 -1/2 1/2 JHH 1/2 -1/2 1/2 1/2
JHH -1/2 1/2 1/2 1/2 JHH 1/2 -1/2 -1/2 -1/2
JHH -1/2 1/2 -1/2 -1/2 JHH -1/2 -1/2 1/2 -1/2
JHH -1/2 -1/2 -1/2 -3/2 JHH
53Az NMR-spektrumból tehát meghatározható a
vizsgált anyag molekuláinak szerkezeti képlete.
54A spin-spin kölcsönhatás a 13C spektrumban
A 13C atomok jelét a hozzájuk kapcsolódó protonok
hasítják fel. CH-csoport 11 dublett CH2-csoport
121 triplett CH3-csoport 1331 kvartett
55Az 1,3-butándiol normál ill. off-resonance
technikával készült 13C NMR-színképe
5612.4. Az NMR-spektrométerek muködése
Általában oldatmintát vizsgálnak. Oldószerek
CDCl3, aceton-D6 (az oldószer 1H abszorpciója nem
zavar) Az oldathoz TMS-t adnak.
57Az NMR-spektrumban a jel gyenge
1H
t 25oC
Ok kicsi a DE (különbség az alap és a
gerjesztett állapot között). Az abszorpciós és
stimulált emisszió valószínusége csaknem
megegyezik. A gerjesztés során tovább közelít az
arány az 1-hez. Relaxációs folyamatok magok
sugárzásmentesen leadják gerjesztési energiájukat.
58Az NMR-spektrométer felépítése
59Korszeru NMR-berendezés
- eros mágnes sok az I.-rendu spektrum részlet
- impulzus üzemu készülék (FT-NMR)
60FT-NMR berendezés gerjeszo impulzussorozata és az
impulzussorozat Fourier-transzformáltja
61A) Az etil-benzol deuteroacetonos oldatáról
felvett FID-görbeb) A Fourier-transzformációval
kapott 13C-NMR-spektrum
62(No Transcript)