ESPECTRO ENDOR DE ^155Gd^3+: ThO_2
El método espectroscópico de Resonancia Doble Nuclear Electrónica (ENDOR), desarrollado por G. Feher (1959), es una de las técnicas más importantes para el estudio de Interacciones Hiperfinas. La medición de las variaciones de amplitud de una línea espectral de Resonancia Electrónica Paramagnétic...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
1973
|
| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/248/1/1Fainstein_C..pdf |
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Instituto Balseiro |
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Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) |
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Física Endor Gadolinium Gadolino Hyperfine structure Estructura hiperfina Crystal lattices Redes cristalinas Deformation Deformación Thorium oxides Oxidos de torio |
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Física Endor Gadolinium Gadolino Hyperfine structure Estructura hiperfina Crystal lattices Redes cristalinas Deformation Deformación Thorium oxides Oxidos de torio Fainstein, Carlos ESPECTRO ENDOR DE ^155Gd^3+: ThO_2 |
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Física Endor Gadolinium Gadolino Hyperfine structure Estructura hiperfina Crystal lattices Redes cristalinas Deformation Deformación Thorium oxides Oxidos de torio |
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El método espectroscópico de Resonancia Doble Nuclear Electrónica (ENDOR),
desarrollado por G. Feher (1959), es una de las técnicas más importantes para el estudio de
Interacciones Hiperfinas. La medición de las variaciones de amplitud de una línea espectral de
Resonancia Electrónica Paramagnética (REP), cuando se varía la radio frecuencia aplicada,
resulta en un espectro de radiofrecuencia, correspondiente a transiciones de Resonancia
Magnética Nuclear (RMN). En particular, es posible efectuar mediciones RMN en sólidos con un
alto grado de sensibilidad.
De este modo hemos estudiado las interacciones hiperfinas para el caso del isótopo 155
de Gadolinio, como impureza paramagnética (155^Gd^3+, 4f^7, 8^S_7/2, I = 3/2) en la red cristalina tipo
Fluorita de Oxido de Torio. Hemos considerado los siguientes aspectos del problema:
i) determinación precisa de momentos nucleares del isótopo 155 de Gadolinio, ii) efecto de la
red cristalina sobre la estructura hiperfina, iii) efecto de la deformación de la red cristalina sobre
la estructura hiperfina.
Para la realización de estas investigaciones hemos diseñado y construido un
Espectrómetro ENDOR, que opera en la frecuencia REP de 31,5GHz, con sistema de detección
homodino en 100KHz. El diseño particular de la Cavidad Resonante tiene en cuenta aquellos
factores que optimizan la relación señal:ruido de las líneas espectrales ENDOR, permitiendo
además la aplicación de presiones axiales sobre la muestra. Las mediciones fueron realizadas a
4K.
Para la interpretación del espectro ENDOR de 155^Gd^3+ : ThO_2 consideramos un
Hamiltoniano que tiene en cuenta el efecto del campo cristalino sobre los términos de interacción
hiperfinos. Los términos del Hamiltoniano Hiperfino, para un ion de momento electrónico S y
momento nuclear I en una red cristalina, son obtenidos explicitamente en base a consideraciones
sobre sus propiedades de transformación ante operaciones de simetría de las coordenadas
espacio-temporales. El Hamiltoniano, así obtenido, permite explicar el espectro ENDOR de
155^Gd^3+ : ThO_2, y la variación (angular) del mismo para distintas orientaciones del campo
magnético exterior respecto del sistema de coordenadas cristalino.
La estimación de los parámetros hiperfinos es realizada por un método basado en la
teoría de cuadrados mínimos, y donde es definido un parámetro que indica la influencia de cada
término de interacción del Hamiltoniano propuesto en reproducir los valores medidos para las
transiciones RMN. Es posible de este modo, obtener el valor y signo de cada parámetro en la
mejor estimación, y donde los valores mencionados como ”errores” indican el intervalo en el
cual se halla el valor estimado del parámetro con cierta probabilidad. El valor del intervalo para
probabilidad de 70% corresponde al concepto corriente de error. Los valores así obtenidos
permiten sacar conclusiones sobre propiedades del nucleo y de la estructura electrónica, tales
como campo hiperfino, densidad electrónica sobre el núcleo, y anomalía hiperfina. Hemos
determinado además, las contribuciones isotrópica y anisotrópica de la interacción cuadrupolar
eléctrica.
Otro problema que hemos considerado es la influencia de la variación del campo
cristalino sobre la estructura hiperfina. Hemos observado que la aplicación de las presiones
axiales sobre la muestra dan origen a cambios en algunas de las transiciones RMN medidas. El
análisis del efecto de las presiones axiales sobre el espectro ENDOR es interpretado como una
contribución cuadrupolar eléctrica originada por la variación del gradiente de campo eléctrico
inducido por la deformación, suponiendo la red cristalina como una distribución de cargas
puntuales teniendo en cuenta los desplazamientos de las posiciones de equilibrio causados por la
deformación inducida por la presión axial. Los resultados obtenidos indican que este modelo
permite estimar el orden de magnitud y el signo del gradiente de campo eléctrico inducido.
ENDOR Spectra of 155^Gd^3+ : ThO_2.
Angular variation and effect of Crystal Lattice deformation. |
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Fainstein, Carlos |
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I25-R131-2482011-04-08T13:35:31Z ESPECTRO ENDOR DE ^155Gd^3+: ThO_2 ENDOR spectra of ThO_2: ^155Gd^3+ Fainstein, Carlos Física Endor Gadolinium Gadolino Hyperfine structure Estructura hiperfina Crystal lattices Redes cristalinas Deformation Deformación Thorium oxides Oxidos de torio El método espectroscópico de Resonancia Doble Nuclear Electrónica (ENDOR), desarrollado por G. Feher (1959), es una de las técnicas más importantes para el estudio de Interacciones Hiperfinas. La medición de las variaciones de amplitud de una línea espectral de Resonancia Electrónica Paramagnética (REP), cuando se varía la radio frecuencia aplicada, resulta en un espectro de radiofrecuencia, correspondiente a transiciones de Resonancia Magnética Nuclear (RMN). En particular, es posible efectuar mediciones RMN en sólidos con un alto grado de sensibilidad. De este modo hemos estudiado las interacciones hiperfinas para el caso del isótopo 155 de Gadolinio, como impureza paramagnética (155^Gd^3+, 4f^7, 8^S_7/2, I = 3/2) en la red cristalina tipo Fluorita de Oxido de Torio. Hemos considerado los siguientes aspectos del problema: i) determinación precisa de momentos nucleares del isótopo 155 de Gadolinio, ii) efecto de la red cristalina sobre la estructura hiperfina, iii) efecto de la deformación de la red cristalina sobre la estructura hiperfina. Para la realización de estas investigaciones hemos diseñado y construido un Espectrómetro ENDOR, que opera en la frecuencia REP de 31,5GHz, con sistema de detección homodino en 100KHz. El diseño particular de la Cavidad Resonante tiene en cuenta aquellos factores que optimizan la relación señal:ruido de las líneas espectrales ENDOR, permitiendo además la aplicación de presiones axiales sobre la muestra. Las mediciones fueron realizadas a 4K. Para la interpretación del espectro ENDOR de 155^Gd^3+ : ThO_2 consideramos un Hamiltoniano que tiene en cuenta el efecto del campo cristalino sobre los términos de interacción hiperfinos. Los términos del Hamiltoniano Hiperfino, para un ion de momento electrónico S y momento nuclear I en una red cristalina, son obtenidos explicitamente en base a consideraciones sobre sus propiedades de transformación ante operaciones de simetría de las coordenadas espacio-temporales. El Hamiltoniano, así obtenido, permite explicar el espectro ENDOR de 155^Gd^3+ : ThO_2, y la variación (angular) del mismo para distintas orientaciones del campo magnético exterior respecto del sistema de coordenadas cristalino. La estimación de los parámetros hiperfinos es realizada por un método basado en la teoría de cuadrados mínimos, y donde es definido un parámetro que indica la influencia de cada término de interacción del Hamiltoniano propuesto en reproducir los valores medidos para las transiciones RMN. Es posible de este modo, obtener el valor y signo de cada parámetro en la mejor estimación, y donde los valores mencionados como ”errores” indican el intervalo en el cual se halla el valor estimado del parámetro con cierta probabilidad. El valor del intervalo para probabilidad de 70% corresponde al concepto corriente de error. Los valores así obtenidos permiten sacar conclusiones sobre propiedades del nucleo y de la estructura electrónica, tales como campo hiperfino, densidad electrónica sobre el núcleo, y anomalía hiperfina. Hemos determinado además, las contribuciones isotrópica y anisotrópica de la interacción cuadrupolar eléctrica. Otro problema que hemos considerado es la influencia de la variación del campo cristalino sobre la estructura hiperfina. Hemos observado que la aplicación de las presiones axiales sobre la muestra dan origen a cambios en algunas de las transiciones RMN medidas. El análisis del efecto de las presiones axiales sobre el espectro ENDOR es interpretado como una contribución cuadrupolar eléctrica originada por la variación del gradiente de campo eléctrico inducido por la deformación, suponiendo la red cristalina como una distribución de cargas puntuales teniendo en cuenta los desplazamientos de las posiciones de equilibrio causados por la deformación inducida por la presión axial. Los resultados obtenidos indican que este modelo permite estimar el orden de magnitud y el signo del gradiente de campo eléctrico inducido. ENDOR Spectra of 155^Gd^3+ : ThO_2. Angular variation and effect of Crystal Lattice deformation. Electron Nuclear Doble Resonance Spectroscopy (ENDOR), developped by G. Feher (1959), has shown to be one of the most important spectroscopic techniques applied to the study of Hyperfine Interactions. By measuring the changes in the amplitude of Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectral lines, while the applied radio frequency is sweeped, a spectra is obtained, which is directly related to Nuclear Magnetic Resonance (NMR) transitions. As a result NMR transitions of paramagnetic impurities in solids are measured with a high degree of.accuracy. Using this ENDOR technique, we have measured the Hyperfine Interactions for the isotope 155 of Gadolinium, as a paramagnetic impurity (155^Gd3^+, 4f^7, 8S_7/2, I = 3/2) in the crystal lattice of Thorium Oxide. We consider the following questions, i). the accurate determination of the nuclear moments for the isotope 155 of Gadolinium, ii). the effect of the crystal lattice on the hyperfine structure, and iii). the effect of an induced deformation of the crystal lattice on the hyperfine structure. To perform this work we have designed and built an EPR-and-ENDOR Spectrometer, operating at 31,5GHz (Q Band), with a Resonante Cavity which allows the use of uniaxial stress applied to the sample, without significant reduction of the signal-to-noise ratio. Spectral lines were detected with a 100KHz homodyne system; all measurements were performed at liquid Helium temperatures, 4K. The ENDOR spectra is described with an Hamiltonian were explicit account is given of the effect of the Crystal Field on the Hyperfine Interaction. The Hyperfine Hamiltonian terms, for the given spins S and I of a particular ion in the crystal lattice, are obtained explicitly by considering its invariance under space-temporal transformations. The Hamiltonian thus obtained correctly accounts for the ENDOR spectra of 155^Gd^3+ : ThO_2, and for its angular dependence on the different orientations of the external Magnetic Field with respecto to the Cristal Field coordinates system. The data is fitted to the Hamiltonian derived equations by using a computer program based in the Least Squares approach. A defined parameter allows to weight the influence of each Hamiltonian term in obtaining the best agreement in comparing the calculated NMR frequencies with those measured. The Hamiltonian parameters are then obtained, in magnitude and sign, and the ”errors” indicate the interval were the estimated value of the parameter can be found, with a given probability. The interval given for 70% probability corresponds with the common concept of ”error”. The values thus obtained let us discuss nuclear and electronic properties, such as hyperfine fields, electronic density on the nucleus, and the hyperfine anomaly. We have also evaluated the isotropic and anisotropic contribution due to the nuclear electric quadrupole interaction. One other problem that we have considered is the effect of an induced change of the Crystal Electric Field on the Hyperfine Interaction. We have observed that, by applying axial stresses, some of the observed NMR transitions are shifted in frequency. This effect is interpreted as a contribution arising from the change in the gradient of the Electric Field, trough the Electric Quadrupolar Interaction, assuming that the crystal lattice is a distribution of point charges. We conclude that this model suffices to give an excellent estimation of the order of magnitude, and sign, of the stress-induced Electric Field Gradient. 1973 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/248/1/1Fainstein_C..pdf es Fainstein, Carlos (1973) ESPECTRO ENDOR DE ^155Gd^3+: ThO_2 / ENDOR spectra of ThO_2: ^155Gd^3+. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/248/ |