ベータ線核磁気共鳴で探る
原子核の構造と、結晶内部
松多健策 （核物質学研究グループ）
http://vdg.phys.sci.osaka-u.ac.jp
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
(r)
Ti 39 40 41
Sc
40
Ca 35 36 37 38 39
K
35 36 37 38
Z
Si 22 23
Al
22
Mg 20 21
Na
20
43
42
41
40
44 45 46 47 48
43 44 45 46 47
42 43 44 45 46
41 42 43 44 45
49
48
47
46
Ar 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Cl
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
27
28
29
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
S
P 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ne 17 18 19 20 21 22 23 24
F
17 18 19 20 21 22 23
O 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
N 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
C 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
B 8
10 11 12 13 14 15
17
19
Be 7
9 10 11 12
14
Li 6 7 8 9
8
He 6
42
41
40
39
25 26 27 28 29 30 31 32
24 25 26 27
23 24
22 23
22
11
N
b-NMR
豊中キャンパスマップ
陽子
中性子
n
p
X 10万
１フェムトメートル
＝１／１０兆センチメートル
16O
O
H
O
H
１オングストローム
＝１／１億センチメートル
Fe
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目のはたらき
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光学顕微鏡の世界
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光学顕微鏡の限界
〜１ミクロン
光の波長
電子顕微鏡の世界
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ÅB
トンネル顕微鏡
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ÅB
ラザフォード散乱
土星型
長岡半太郎
高速粒子線束
+
+
太陽系型
ラザフォード
高エネルギーのビームを作る加速器が必要
エックス線
QuickTimeý Dz
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ÅB
放射線の発見
ベクレル
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ÅB
キュリー
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ÅB
原子核の人工改変
2H
16O
17F
ベータ線
ニュートリノ
65秒
17O
放射線の透過力
１
１億
cm
e
e
e
アルファ線
e
e
ベータ線
e
e
e
e
１
１兆
e
e
ガン マ線
e
e
cm
e
陽子
中性子
電子
紙や
金属フォ イル
図１　放射線の透過力の違い
人の体や
プラスチック板
鉛ブロック等
カミオカンデ
大マゼラン星雲
超新星爆発
QuickTimeý Dz
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ÅB
１５万光年
ニュートリノ
SN1987A
ニュートリノをつかまえる
カミオカンデ
Quic kT imeý Dz
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ÅB
QuickTi meý Dz
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ÅB
小柴昌俊
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ÅB
神岡鉱山の地下１０００m
５万トンの水タンク
宇宙線
e

40 K
222 R n
40 K
40 K
U
Th
自然放射性物質
から の放射線
原子核の世界
小型バンデグラフ
QuickTimeý Dz
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ÅB
１０万ボルト
バンデグラフ加速器の仕組み
＋
５百万ボルト
＋イオン
加速
ー
実
験
室
へ
磁場
５百万ボルト
バンデグラフ本体
理化学研究所
RIKEN ring cyclotron
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
核物理研究センター
リングサイクロトロン
原子核の形と電磁気モーメント
16 O
球形

17 O
N
パンケーキ型
S
Q
15 O
N
葉巻型
S
Q
L
N 
e
2M pc
+e 陽子
陽子の磁気モーメントは2.8倍も大きい
パウリ
シュテルン
Ag
シュテルンゲルラッハの実験
ラビ
回る原子核
踊る原子核
ベータ線
S
核磁気共鳴
（NMR）
スピンしながら
２万４千年
磁場中で力を受ける
マイクロ秒
+N
+
+ +
N
ブロッホ
パーセル
MRI
QuickTimeý Dz
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ÅB
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ÅB
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ÅB
軽核領域の磁気モーメント
9C
in Pt ( T = 3 0 K)
H0 = 4 .0 0 0 kOe
2 .0
T i 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
Sc
40 41 42 43 44 45 46 47 48
C a 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
K
35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
1 .0
Z
0 .0
-1 .0
2822
2826
2830
Frequency ( kHz)
L=1
S
8C
n
s/2
3000
A r 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Cl
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
S 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
P 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
S i 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
Al
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
M g 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
Na
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
N e 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
F
17 18
16 17
15 16
14 15
13 14
O 13 14 15
N 12 13 14
C 9 10 11 12 13
B 8
10 11 12
Be 7
9 10 11 12
Li 6 7 8 9
11
8
He 6
19 20 21 22 23 24 25 26 27
18 19 20 21 22 23 24
17 18 19 20 21 22 23
16 17 18 19 20
22
15
17
19
H IM A C での測定
最近１０年間
14
N
1990年ごろまで
安定核
L=1
S
8C
n
s/2
2 .0
9C
Experiment
- 9 Li
Shell model
1 .5
p3 / 2
s1 / 2
1 .0
d5 / 2
f 7/ 2
s1 / 2
0 .5
13O
-
13B
0 .0
p1 / 2
-0 .5
d3 / 2
-1 .0
0
10
16
20
30
A
40
9C:
スピンは
1.4倍も大きい
軽核領域の磁気モーメント
T i 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
Sc
40 41 42 43 44 45 46 47 48
C a 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
K
35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
Z
A r 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Cl
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
S 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
P 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
S i 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
Al
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
M g 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
Na
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
N e 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
Present Trial
F
17 18
16 17
15 16
14 15
13 14
O 13 14 15
N 12 13 14
C 9 10 11 12 13
B 8
10 11 12
Be 7
9 10 11 12
Li 6 7 8 9
11
8
He 6
Tz = -3/2
19 20 21 22 23 24 25 26 27
18 19 20 21 22 23 24
17 18 19 20 21 22 23
16 17 18 19 20
22
15
17
19
H IM A C での測定
最近１０年間
14
N
1990年ごろまで
安定核
(r)
23Al(Ip=
? , T1/2 = 0.47s)
Proton halo?
22
Mg (0+) × d5/2
s1/2 ?
Large Radius
+
g0.54
SM(3/2 )
0.5
g = /I
Shell Model
1.58
3.40
(5/2+)
(1/2+)
1.58
gSM
(5/2+)
3.40
+)
gSM(1/2
0.0
- 0.5
I = 5/2
23Al
in Si
H0 = 3.0 kOe
-1.0
-1.5
0
2000
4000
6000
Frequency (kHz)
8000
原子核の形と電磁気モーメント
原子核の形
16 O
球形

17 O
N
パンケーキ型
S
Q
15 O
N
葉巻型
S
Q
Multi-rf b-NMR/NQR
f
asymmetry
ZnO or TiO2
eqQ/h
I =3/2 case
Recent Situation
Q moments of Light Nulei
Ti 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
Sc
40 41 42 43 44 45 46 47 48
C a 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
K
35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
A r 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Cl
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
Z
Poor precision
S 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
P 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
S i 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
Al
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
M g 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
Na
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
N e 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
F
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
C 9
B 8
Be 7
Li 6
He
O 13 14
N 12 13
10 11 12
10 11
9 10
7 8 9
6
8
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
13 14 15 16 17 18 19 20
22
12 13 14 15
17
19
11 12
14
11
N
S table N uclei
B efore 1990
A fter 1990
Q of Na Isotopes
21Na(3/2+,22.5s)
25Na(5/2+59.6s)
SR
TRIUMF whole view
ISAC-3D
カナダ
SiC Target
Polarizer beam line
TRIUMF /ISAC Polarizer Beamline
OSAKA II
Exp.port
: Coil
: Positive or negative ion
: Neutral atom
: Polarized ion
LASER
s+
Neutralizer
Reionizer
20Na
in ZnO
21Na
in ZnO
Q of Na Isotopes
Present
b-NMR
Implantation
Polarized probe nuclei
Behaviour
lattice site, diffusion
Internal fields
Bhf, K, EFG
Materials
Ferro-magnets
Metals
Semi-conductors
Ionic crystals
e
e
33Clの磁気モーメント精密測定
大阪大学理学部
5MV バンデグラフ
setup
QuickTimeý Dz
TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾ å©ÇÈǞǽ Ç…ÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
Electronic structure in Metals
----- Shifts in NMR spectra-----NMR spectra
12B in various metals
Knight shift
dia magnetism
3
H0= 4 kOe
T = 300 K
2
13
in Pt
O in MgO
1
0
-1
2810
in vacuum
Ee
2820
2830
2840
Frequency ( kHz)
K =DH/ H0 = B2 ∫EF{(0,E) - (0,E)}dE/H0
Nd2Fe14B (NEOMAX)
12N
in Al
Latticed site
--- Line Width ----
窒素原子の植え込み位置
14
12
10
AP (%)
8
6
12N
12N
4
2
0
300
400
500
600
T (K)
700
800
と偏極度
Diffusion
14
12
10
AP (%)
8
6
4
2
0
300
400
500
600
T (K)
700
800
Site of 12B in Si
ベータ線核磁気共鳴で探る
原子核の構造と、結晶内部
松多健策 （核物質学研究グループ）
http://vdg.phys.sci.osaka-u.ac.jp
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
(r)
Ti 39 40 41
Sc
40
Ca 35 36 37 38 39
K
35 36 37 38
Z
Si 22 23
Al
22
Mg 20 21
Na
20
43
42
41
40
44 45 46 47 48
43 44 45 46 47
42 43 44 45 46
41 42 43 44 45
49
48
47
46
Ar 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Cl
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
27
28
29
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
S
P 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ne 17 18 19 20 21 22 23 24
F
17 18 19 20 21 22 23
O 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
N 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
C 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
B 8
10 11 12 13 14 15
17
19
Be 7
9 10 11 12
14
Li 6 7 8 9
8
He 6
42
41
40
39
25 26 27 28 29 30 31 32
24 25 26 27
23 24
22 23
22
11
N
b-NMR

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ミクロン糸巻きフィルターの働き