ベータ線核磁気共鳴で探る原子核の構造と、結晶内部

(1)

ベータ線核磁気共鳴で探る原子核の構造と、結晶内部

He Li Be B C

F O

Ne

8 10 1112 13 14 15 17 19 910 11 12 14

7

8 9 11 6 7

6 8

9 101112 1314 15 16 17 18 19 20 22 12 1314 1516 17 18 19 20 21 2223 13 14 1516 17 1819 20 21 22 23 24

17181920 2122 23 24 25 2627

17 181920 21 2223 24 25 26 27 28 29 303132 20 21 222324 25 26 27 28 2930313233 3435

N Na

20 21 22 2324 25 2627 28 29 30313233 34 35 36 37 38 2223 24 25 26272829 30313233 34 35 3637 3839 40 2223 24 25 26 2728 29 30313233 34 35 3637 3839 40 41 26 27 28 29 3031323334 3536 37 38 3940 4142 27 28 29 30313233 34353637 3839 40 41 42 43 3132333435363738 3940 4142 4344 32

31 33 34 35363738394041 42 43 44 45 35 36 37 3839 40 41424344 4546 35 36 37 38 39404142 4344454647

40 41 4243 39 40 41 4243

444546 47 44 4546 4748

48 49

Al Si

P S

Mg

Cl Ar

CaK ScTi

Z

N

(r)

-NMR

松多健策　（核物質学研究グループ）

5000 種におよぶ不安定核

　　核モーメント（ベータ線核磁気共鳴）

　　核プローブ　結晶内部場

http://vdg.phys.sci.osaka-u.ac.jp

(2)

豊中キャンパスマップ

(3)

X 10

万

H O

O H

１オングストローム

＝１／１億センチメートル１フェムトメートル

＝１／１０兆センチメートル

p

陽子

中性子

n

16

O

(4)

QuickTime˛ Ç∆

GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

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QuickTime˛ Ç∆

ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

Fe

(5)

目のはたらき

QuickTime˛ Ç∆

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QuickTime˛ Ç∆

ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

(6)

QuickTime˛ Ç∆

光学顕微鏡の限界

〜１ミクロン

　　　　光の波長

光学顕微鏡の世界

QuickTime˛ Ç∆

(7)

電子顕微鏡の世界

QuickTime˛ Ç∆

(8)

QuickTime˛ Ç∆

トンネル顕微鏡

(9)

高速粒子線束

+ +

高エネルギーのビームを作る加速器が必要

ラザフォード散乱

長岡半太郎

土星型

ラザフォード

太陽系型

(10)

エックス線

QuickTime˛ Ç∆

(11)

放射線の発見

QuickTime˛ Ç∆

キュリー

ベクレル

(12)

原子核の人工改変

16

O

17

F

2

H

17

O

ベータ線

ニュートリノ

65 秒

(13)

ÉAÉãÉtÉ@ê¸

ÉxÅ[É^ê¸

ÉKÉìÉ}ê¸

éÜÇ‚ã‡ëÆÉtÉHÉCÉã âîÉuÉçÉbÉNìô êlÇÃëÃÇ‚

ÉvÉâÉXÉ`ÉbÉNî¬

íÜê´éq ózéq

e e e

e e

e e e

e e

e ^ìdéq

ÇP

ÇPâ≠cm

ÇP

ÇPíõ cm

ê}ÇPÅ@ï˙éÀê¸ÇÃìßâﬂóÕÇÃà·Ç¢

放射線の透過力

(14)

超新星爆発からのニュートリノ

QuickTime˛ Ç∆

ニュートリノカミオカンデ

１５万光年超新星爆発

SN1987A

大マゼラン星雲

(15)

QuickTime˛ Ç∆

カミオカンデ

QuickTime˛ Ç∆

神岡鉱山の地下１０００

m

小柴昌俊ニュートリノをつかまえる

５万トンの水タンク

(16)

âFíàê¸

é© ëRï˙éÀê´ï®éø Ç© ÇÁ ÇÃ ï˙éÀê¸

40

K

U

Th

40

K μ

222

Rn

e

40

K

(17)

原子核の世界

(18)

QuickTime˛ Ç∆

小型バンデグラフ

１０万ボルト

(19)

Å{

é•èÍ é¿

å±

é∫

Ç÷

â¡ë¨

Å{ÉCÉIÉì

ÇTïSñúÉ{ÉãÉg

Å[

バンデグラフ加速器の仕組み

５百万ボルト

(20)

メンテナンス

バンデグラフ本体

(21)

理化学研究所 RIKEN ring cyclotron

(22)

放射線医学総合研究所

重粒子線によるガン治療

シンクロトロン

(23)

核物理研究センター

_{リングサイクロトロン}

(24)

å¥éqäjÇÃå`Ç∆ìdé•ãCÉÇÅ[ÉÅÉìÉg 16

O

17

O

15

O

ãÖå`

ÉpÉìÉPÅ[ÉLå^

ótä™å^

N S

μ

Q

(25)

μ_N = eh 2M_pc

+e

L =h

陽子

Ag

陽子の磁気モーメントは

2.8

倍も大きいシュテルン

パウリ

シュテルンゲルラッハの実験

ラビ

(26)

N S

核磁気共鳴

回る原子核踊る原子核

+ + +

+

N

スピンしながら

磁場中で力を受けるベータ線

マイクロ秒

核磁気共鳴

（ NMR ）

２万４千年

ブロッホパーセル

(27)

QuickTime˛ Ç∆

ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB 

QuickTime˛ Ç∆

MRI

(28)

åyäjóÃàÊÇÃé•ãCÉÇÅ[ÉÅÉìÉg

à¿íËäj

1990îNÇ≤ÇÎÇ‹Ç≈

ç≈ãﬂÇPÇOîNä‘

HIMACÇ≈ÇÃë™íË

He Li Be

B C

F O

Ne

8 10 1112 13 14 15 17 19 9 10 11 12 14

7

8 9 11

6 7

6 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 12 1314 1516 17 18 19 20 21 22 23 13 14 15 16 17 1819 20 21 22 23 24

17 18 1920 21 22 23 24 25 26 27

17 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 29 303132

20 21 222324 25 26 27 28 29 30 313233 34 35

N

Na

20 21 22 2324 25 2627 28 29 30 31 3233 34 35 36 37 38 22 23 24 25 2627 28 29 3031 32 33 34 35 36 37 38 39 40 22 23 24 25 26 27 28 29 3031 3233 34 35 36 37 38 39 40 41 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 27 28 29 3031 3233 3435 3637 38 39 40 41 42 43 3132 33 34 3536 3738 39 40 41 42 43 44 32

31 33 34 35 3637 3839 4041 42 43 44 45 35 36 37 3839 40 41 42 43 44 45 46 35 36 37 38 3940 41 42 43 4445 4647

40 41 42 43 39 40 41 42 43

44 4546 47 44 4546 47 48

48 49

Al Si

P S

Mg

Cl Ar

CaK

ScTi

Z

N

3000 2830

2826 2822

-1.0 0.0 1.0 2.0

Frequency (kHz)

9C in Pt (T = 30K) H₀ = 4.000 kOe

8

C n

S

/2

L=1

(29)

Sigma

40 30

20 10

0 -1.00 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Experiment Shell model

A

16

9C - ⁹Li

13O - ¹³B s_{1/ 2} p_{3/ 2}

p_{1/ 2}

d_{5/ 2} s_{1/ 2}

d_{3/ 2}

f_{7/ 2}

8

C n

S

/2 L=1

9

C:

スピンは

1.4

倍も大きい

(30)

åyäjóÃàÊÇÃé•ãCÉÇÅ[ÉÅÉìÉg

à¿íËäj

1990îNÇ≤ÇÎÇ‹Ç≈

ç≈ãﬂÇPÇOîNä‘

HIMACÇ≈ÇÃë™íË

He Li Be

B C

F O

Ne

8 10 1112 13 14 15 17 19 9 10 11 12 14

7

8 9 11

6 7

6 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 12 1314 1516 17 18 19 20 21 22 23 13 14 15 16 17 1819 20 21 22 23 24

17 18 1920 21 22 23 24 25 26 27

17 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 29 303132

20 21 222324 25 26 27 28 29 30 313233 34 35

N

Na

20 21 22 2324 25 2627 28 29 30 31 3233 34 35 36 37 38 22 23 24 25 2627 28 29 3031 32 33 34 35 36 37 38 39 40 22 23 24 25 26 27 28 29 3031 3233 34 35 36 37 38 39 40 41 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 27 28 29 3031 3233 3435 3637 38 39 40 41 42 43 3132 33 34 3536 3738 39 40 41 42 43 44 32

31 33 34 35 3637 3839 4041 42 43 44 45 35 36 37 3839 40 41 42 43 44 45 46 35 36 37 38 3940 41 42 43 44 45 4647

40 41 42 43 39 40 41 42 43

44 4546 47 44 4546 47 48

48 49

Al Si

P S

Mg

Cl Ar

CaK

ScTi

Z

N

Recent situation of Mag. Mo m.

Present Trial

T

_z

= -3/2

(31)

23

Al(I

^

= ? , T

_1/2

= 0.47s)

Proton halo?

22

Mg (0 ⁺ ) × d ^5/2

s

_1/2

?

Large Radius

(r)

g = /I Shell Model 1.58 (5/2

⁺

) 3.40 (1/2

⁺

)

Frequency (kHz)

g_SM(5/2⁺) g_SM(1/2⁺) g_SM(3/2⁺)

23Al in Si H₀ = 3.0 kOe

2000 4000 6000

0 8000

0.5

0.0 - 0.5 - 1.0 - 1.5

I = 5/2

0.54 1.58 3.40

(32)

原子核の形

å¥éqäjÇÃå`Ç∆ìdé•ãCÉÇÅ[ÉÅÉìÉg 16

O

17

O

15

O

ãÖå`

ÉpÉìÉPÅ[ÉLå^

ótä™å^

N S

μ

Q

(33)

(34)

Multi-rf  -NMR/NQR

eqQ/h f

ZnO or TiO

₂

as ym m etr y

I =3/2 case

(35)

Stable Nuclei Before 1990 After 1990

He Li Be B C

F O

Ne

8 10 1112 13 14 15 17 19 9 10 11 12 14

7

8 9 11

6 7

6 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 12 1314 1516 17 18 19 20 21 22 23 13 14 15 16 17 1819 20 21 22 23 24

17 18 1920 21 22 23 24 25 26 27

17 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 29 30 31 32

20 21 222324 25 26 27 28 29 30 313233 34 35

N

Na

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 3233 34 35 36 37 38 22 23 24 25 2627 28 29 3031 32 33 34 35 36 37 38 39 40 22 23 24 25 26 27 28 29 3031 3233 34 35 36 37 38 39 40 41 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 27 28 29 3031 3233 3435 3637 38 39 40 41 42 43 3132 33 34 3536 3738 39 40 41 42 43 44 32

31 33 34 35 3637 3839 4041 42 43 44 45 35 36 37 3839 40 41 42 43 44 45 46 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 4546 47

40 41 42 43 39 40 41 42 43

44 4546 47 44 4546 47 48

48 49

Al Si

P S

Mg

Cl Ar

K Ca

Sc Ti

Z

N

Poor precision

Recent Situation

Q moments of Light Nulei

(36)

300

200

100

0

-100

32 30

28 26

24 22

20 18

Mass Number A

Q_theor.(OXBASH) Q_present.

Q_old Q (²³Na)

Q M.Kein et al

Q of Na Isotopes

21

Na(3/2

⁺

,22.5s)

25

Na(5/2

⁺

59.6s)

(37)

TRIUMF whole view

 SR

(38)

ISAC-3D

SiC Target

カナダ

(39)

Polarizer beam line

OSAKA II

Exp. port

Neutralizer Reionizer LASER

σ

⁺

TRIUMF/ISAC Polarizer Bealine

: Coil

: Poitive or negative ion : Neutral ato

: Polarized ion

(40)

10

8

6

4

2

0

1500 1000

500 0

eqQ/h (kHz)

20Na in ZnO

16

14

12

10

8

6

4

2

0

1500 1000

500 0

eqQ/h (kHz)

21Na in ZnO

21 Na in ZnO

20 Na in ZnO

(41)

300

200

100

0

-100

32 30

28 26

24 22

20 18

Mass Number A

Q_theor.(OXBASH) Q_present.

Q_old Q (²³Na)

Q M.Kein et al

Q of Na Isotopes

Present

(42)

Implantation

Polarized probe nuclei

-NMR

e e

Behaviour

lattice site, diffusion Internal fields

Bhf, K, EFG Materials

Ferro-magnets Metals

Semi-conductors Ionic crystals

(43)

バンデグラフ加速器施設

5MV

バンデグラフ大阪大学理学部

33

Cl

の磁気モーメント精密測定

(44)

setup

QuickTime˛ Ç∆

TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

(45)

NMR spectra

12

B in various metals

Electronic structure in Metals

--- Shifts in NMR spectra---

NMR spectra

12

B in various metals

(46)

2840 2830

2820 2810

2810 -1

0 1 2 3

Frequency (kHz) O in MgO

13

H = 4 kOe0

T = 300 K

K of 13O in Pt

in Pt

in vacuum dia magnetism

Knight shift

K =  H / H

₀

= 

_B²

_∫

^EF_{

r

_

_(0, E ) - r

_

_(0, E )} dE / H

₀

Ee

(47)

Nd

₂

Fe

₁₄

B (NEOMAX)

(48)

12

N in Al Latticed site

--- Line Width ----

(49)

14 12 10 8 6 4 2 0

AP (%)

800 700

600 500

400 300

T (K)

12

N

12

N

窒素原子の植え込み位置

(50)

14 12 10 8 6 4 2 0

AP (%)

800 700

600 500

400 300

T (K)

窒素原子の植え込み位置と偏極度

Diffusion

(51)

(52)

(53)

Site of 12B in Si

(54)