铁磁材料中的核磁共振技术

核磁共振是具有磁矩的原子核在直流磁场（包括内磁场，或者更广义地包括有梯度的电场）作用下，对射频电磁波的共振吸收。

原子核是由质子和中子组成的。通常用质子数和质量数表示一个原子核，如⁵⁷₂₆Fe就表示这种原子核由26个质子和57-26=31个中子组成。原子核的质子和中子都有自旋，因此原子核也具有自旋角动量和磁矩，它们之间的关系为

μ=γhI=gμ_NT （9-26）

式中 μ——核磁矩；

γ——旋磁比；

h——约化普朗克常数；

I——自旋角动量；

g——兰德因子；

μ_N——核磁子。

与核外电子一样，核的自旋状态也是空间量子化的。其在某一指定方向上，例如Z轴的投影只能是m_Ih，其中m_I叫做核的磁量子数，可取2I+1个值，此外当I≥1时，原子核中的电荷常常呈旋转椭球体状分布，因此一般来说，原子核还具有电四极矩Q。Q的大小描述原子核偏离球对称的程度，长椭球时，Q＞0；扁椭球时，Q＜0。原子核的电四极矩与核外电子云的相互作用影响原子光谱结构，这称为四极分裂。表9-14列出了部分元素的核性能，包括原子核的质量数、质子数、自旋、旋磁比和电四极矩。

对自旋角动量为I的核，在磁场作用下，核能级分裂为（2I+1）个能级，称为塞曼分裂。在这种情况下，如果用一束电磁波照射原子核系统，则处于低能态的就可以吸收电磁波的能量而跃迁到高能级（吸收的能量值可由射频电磁波消耗的能量测出）。当电磁波的角频率ω满足一定条件时就发生了原子核系统对电磁波的共振吸收，这就是核磁共振吸收现象。在铁磁金属中，核磁共振的共振频率范围为几十兆至几百兆赫。

试验中最方便的做法是射频场（电磁波）的角频率ω_o保持不变，而连续改变所加磁场强度H的值，当H变化到一定值时便发生共振吸收。

表9-14 部分元素的核性能

注：barn——核子有效截面积单位，1barn=10^-24cm²。(www.xing528.com)

图9-39所示为连续波核磁共振谱仪的框图。样品多为箔材或粉末。

图9-39 连续波核磁共振谱仪框图

由于核环境中电场、磁场和电荷密度都对核的能极有影响，它将改变跃迁的共振能量。核磁共振可测定在不同点阵位置处的超精细场作为材料组成、材料的处理、温度、压力和磁场的函数。这些测量结果对某些磁性材料的微观结构和宏观磁性的了解曾有过很大的贡献。

核磁共振可作为磁结构的灵敏探针，研究合金中原子的局部环境（如金属铁磁体中一个杂质原子处的磁环境）和有序结构（如Fe-Al、Fe-Ei、Fe-Si、Fe-Co合金的短程有序度）。

图9-40所示为FeEi合金的室温核磁共振谱。FeEi合金在高温完全互溶，室温时在Ei含量为75%（质量分数）处合金倾向于形成AuCu₃型有序结构。由图9-40可知，有序态和无序态的差异用核磁共振法是很容易检测的。由于Fe和Ei原子的F射线和中子的散射因子很相近，若用F射线衍射和中子衍射就很难测定。此外，对有序态的核磁共振谱进行谱拟合分析，还可研究有序度的细节。

此外，还可用来研究金属和合金的电子结构、铁磁体的畴结构、缺陷、沉淀现象、稀土金属间化合物、扩散和非晶态等。

核磁共振和穆斯堡尔效应都是微观分析中采用的技术，都可用来测量固体中的超精细结构，提供互相补充的信息。但各有其特长和局限性，穆斯堡尔效应分辨率很低，对环境效应敏感性低，谱线容易解释，对试样纯度和晶体质量的限制较少。核磁共振分辨率高，考虑因素多。在条件允许时，可先用穆斯堡尔谱仪初测一下，然后再用核磁共振来测定其细致性质。

内耗及三种核物理方法的应用比较列于表9-15。

图9-40 FeNi合金的室温核磁共振谱

1—有序态 2—无序态

表9-15 内耗及三种核物理方法的应用比较