Ядерный квадрупольный резонанс (в дальнейшем кратко ЯКР) является одной из областей радиоспектроскопии, широкое развитие которой началось лишь в 50-е годы. Он наиболее близко примыкает к ядерному магнитному резонансу (ЯМР) с точки зрения сущности явления и методики наблюдения.

Сущность явления ЯКР заключается в следующем. Ядерный квадрупольный момент - это некоторая величина, характеризующая отклонение формы ядра от сферической. Значительное количество ядер периодической системы обладает квадрупольными моментами. В кристаллах под влиянием взаимодействия ядерного квадруполя с электрическим полем электронных оболочек молекул возникает ориентация ядерных спинов в определенном направлении. Если перпендикулярно данному направлению наложить радиочастотное поле, частота которого равна частоте переходов между уровнями, то можно наблюдать поглощение радиочастотной мощности. Таким образом, взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутренним электрическим полем Е кристалла приводит к появлению энергетических состояний, соответствующих различным ориентациям ядерного спина S относительно кристаллографических осей. Радиочастотное магнитное поле, так же как и в случае ЯМР, вызывает вынужденные магнитные дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение электромагнитной энергии. Так как энергия квадрупольного взаимодействия изменяется в широких пределах в зависимости от свойств ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кГц до тысяч МГц. Положение энергетических уровней не зависит от ориентации осей кристалла относительно прибора, что позволяет пользоваться поликристаллическими образцами. Аппаратура, применяемая для исследования ЯКР, принципиально не отличается от спектрометров ЯМР

 

 

В настоящее время ЯКР имеет обширную область применения. Он используется для выяснения структуры кристаллов, определения квадрупольных моментов ядер, исследования типов и степени гибридизации ковалентных связей, выяснения неэквивалентности положения резонирующих ядер в кристаллической решетке, определения средних величин частот вращательных качаний, моментов инерции молекулярных групп, наличия их вращения и т. д. Кроме чисто химических и структурных приложений, ЯКР используется в технике низких температур. За последние годы с помощью данной методики удалось создать вторичный стандарт температуры. Одним из технических применений ЯКР является стабилизация слабых магнитных полей по величине сигнала.

Дефекты кристаллической решётки приводят к уширению линий ядерный квадрупольный резонанс и их сдвигу, а также к изменению времени ядерной квадрупольной релаксации. ЯКР используется и как чувствительный метод обнаружения радиационных дефектов. Ядерный квадрупольный резонанс может реализоваться также не только в результате поглощения радиочастотного электромагнитного поля, но и при резонансном поглощении УЗ, который модулирует ядерные квадрупольные взаимодействия. Исследования ядерного акустического квадрупольного резонанса позволяют получать информацию о ядерном квадрупольном спин-решёточном взаимодействии. Ядерный квадрупольный резонанс является одним из основным методов изучения внутренних движений в кристаллах, так как подвижность атомов влияет как на частоту и форму линий ЯКР, так и на время ядерной квадрупольной спин-решёточной релаксации.

Среди аппаратуры, предназначенной для обеспечения и повышения безопасности, одними из наиболее перспективных являются обнаружители взрывчатых веществ (ВВ) на основе явления ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) (рис.1).

Принцип действия состоит в следующем. Ядра ряда элементов периодической таблицы (N, Na, Cl и др.) возбуждаются и поглощают энергию при воздействии внешнего радиочастотного поля строго определенной частоты. При переходе в равновесное состояние они излучают накопленную энергию на той же частоте. Такое явление называется ядерным квадрупольным резонансом (ЯКР). Явление ЯКР не имеет отношения к ядерной физике и не связано с ионизирующими и другими вредными излучениями. Метод является радиоспектроскопическим. Воздействие на контролируемый объект осуществляется электромагнитным полем. В состав молекул большинства ВВ входят ядра азота ¹⁴N. Частота квадрупольного резонанса этих ядер зависит от состава и структуры молекул конкретного вещества, в которое они входят. Таким образом, используя явление ЯКР, можно обнаружить и идентифицировать конкретное ВВ.

Номенклатура отечественных и зарубежных ВВ весьма широка. Однако, большинство из них является смесями. Индивидуальными ВВ, на основе которых создаются эти смеси, являются:

- гексоген (RDX)

- тротил (TNT)

- ТЭН (PETN)

- октоген (HMX)

Обнаружение этих ВВ производится по сигналам ЯКР ядер азота N14, резонансные частоты которого лежат в диапазоне 0,5-5,5 МГц. При обнаружении ВВ, являющегося смесью нескольких индивидуальных ВВ, обнаружение можно проводить на частоте любого индивидуального вещества, входящего в смесь.