Механізм непрямої спін-спінової взаємодії.

У молекулах, що містяться у розчинах нев'язких рідин, ядерні спіни взаємодіють через електрони хімічних зв'язків, які відіграють роль провідника спінової інформації. Розглянемо механізм такої передачі у спрощеному вигляді.

Нехай молекула містить лише два магнітних ядра з магнітними моментами µ₁ та µ₂, а також два зв'язуючих електрони S₁ та S₂. Припустимо, що один з електронів (наприклад S₁) перебуває переважно біля ядра з моментом µ₁ а електрон S₂— біля ядра з моментом µ₂

Розглянемо ситуацію біля першого ядра з магнітним моментом µ₁. Во­но буде створювати на електроні S₁ магнітне поле H_µ1S1 , напруженість яко­го пропорціональна до µ₁. При цьому одна з можливих орієнтацій електрон­ного спіну, що антипаралельна орієнтації ядерного спіну, буде енергетично вигіднішою. Тому електрони з такою орієнтацією біля ядра µ₁ матимуть надлишкову населеність. Ця надлишкова населеність буде пропорційною до величини поля H_µ1S1.

Тепер розглянемо ситуацію біля другого ядра з магнітним моментом µ₂. Згідно з принципом Паулі, для стабільного зв'язку між атомами спін другого електрона має бути антипаралельним спіну S₁ першого електрона, тобто біля ядра з магнітним моментом µ₂ знаходитиметься електрон, орієнтація якого буде паралельна вектору µ₁. Електрон S₂ створює на дру­гому магнітному ядрі поле Н_µ2S2причому його напруженість також пропорціональна µ₂ Енергія взаємодії ядра з моментом µ₂ і поля Н_µ2S2визна­чається за формулою

E = -m Н_µ2S2 (1.23)

або, враховуючи, що поле Н_µ2S2 пропорціональне µ₁

E = Am₁m₂ (1.24)

Константа А враховує специфіку електронів хімічного зв'язку і пропорціональна КССВ.

З формули (1.24) витікають важливі висновки: по-перше, про­цес спін-спінової взаємодії та його енергія не залежать від того, знаходить­ся молекула у зовнішньому магнітному полі чи ні, оскільки сила поля не входить до формули (1.24). Тому напруженість зовнішнього магнітного поля не впливає на КССВ; по-друге, енергія ССВ є однаковою для обох ядер, що взаємодіють, а тому і величини КССВ для них також однакові.

Рис. 1.26. Взаємна орієнтація ядерних та електронних спінів багатоатомної молекули

Однакова орієнтація магнітних моментів багатоелектронного атома вуглецю зумовлена правилом Гунда, згідно з яким на орбіталях атома з од­наковим побічним квантовим числом паралельна орієнтація електронів енергетично вигідніша. З рис. 1.26 видно, що, залежно від кількості хімічних зв'язків між атомами, які взаємодіють, енергетично вигідна взаємна орієнтація їхніх магнітних моментів може бути різною. Так, якщо взаємодія відбувається через два зв'язки, то ядерним моментам вигідніше бути паралельними, а якщо між ядрами існує три зв'язки — антипаралельними. Оскільки взаємна орієнтація ядерних магнітних моментів впливає на деякі спектральні особливості, то вводять поняття про знак КССВ.

Константа спін-спінової взаємодії позитивна, коли результатом ССВ є зменшення сумарної енергії ядер, що взаємодіють. Отже, пози­тивний знак КССВ означає, що паралельний зовнішньому полю напрямок магнітного моменту першого з ядер зумовлює виникнення негативного додаткового поля у точці локалізації другого ядра. Знак КССВ протонів альтернує: через два зв'язки він, як правило, позитивний, через три — нега­тивний, через чотири — знову позитивний тощо. Абсолютні знаки КССВ можна визначити вимірюванням спектрів у рідкокристалічних розчинни­ках або методами декаплінгу.