нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Ядерний магнітний резонанс

   
 

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР), резонансне поглинання електромагнітної енергії речовиною, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів атомних ядер. ЯМР - один з методів радіоспектроскопії . Спостерігається в сильному постійному магнітному полі H0, на яке накладається слабке радіочастотне магнітне поле H ^ H0. Резонансний характер явища визначається властивостями ядер, що володіють моментом кількості руху ? і магнітним моментом:

m = g I. (1)

Тут I - спін ядра, g - гіромагнітне відношення (величина, характерна для даного виду ядер), ? - Планка постійна . Частота, на якій спостерігається ЯМР:

w0 = g H0. (2)

Для протонів в поле H0 = 10 4 э w/2p = 42,57 Мгц; для більшості ядер ці значення лежать в діапазоні 1-10 Мгц. Порядок величини резонансного поглинання визначається рівноважною ядерної намагніченістю речовини ( ядерним парамагнетизмом ): m0 = c0H0, де c 0 - статична ядерна сприйнятливість.

ЯМР, як і інші види магнітного резонансу , можна описати класичною моделлю гіроскопа. У постійному магнітному поле H0 пара сил, обумовлена ??магнітним моментом m, викликає прецессию магнітного і механічного моментів, аналогічну прецесії дзиги під дією сили тяжіння. Магнітний момент m прецессирует навколо напрямку H0 з частотою w 0 = g H0, кут прецесії d залишається незмінним ( рис. 1 ). У результаті впливу радіочастотного поля H1 резонансної частоти w 0 кут d змінюється зі швидкістю g Н1 рад / сек , що призводить до значних змін проекції m на напрям поля H0 навіть в слабкому полі H1.

З квантової точки зору ЯМР обумовлений переходами між рівнями енергії взаємодії магнітних дипольних моментів ядра з полем H0. У простому випадку ізольованих, вільних від інших впливів ядерних спінів, умова ( m = I , I - 1, ..., ..., - I) визначає систему ( 2I + 1) еквідистантних рівнів енергії ядра в поле H0. Частота w 0 відповідає переходу між двома сусідніми рівнями.

Подання про ізольованих ядерних спинах є ідеалізацією; насправді ядерні спини взаємодіють між собою і з оточенням, наприклад кристалічною решіткою. Це призводить до встановлення теплової рівноваги (до релаксації ). Релаксаційні процеси характеризуються постійними T1 и T2, які описують зміни поздовжньої і поперечної складових ядерної намагніченості. Зміна першого пов'язано з зміною енергії системи ядерних спінів в поле H0 (спін-решеточная релаксація). Зміни поперечної складової визначаються в основному внутрішніми взаємодіями в самій системі спинив (спін-спінова релаксація). Значення Ti лежать в межах від 10 - 4 сек для розчинів парамагнітних солей до декількох ч для дуже чистих діамагнітних кристалів. Значення Ti змінюються від 10 - 41 сек для кристалів до декількох сек для діамагнітних рідин. Ti и Ti пов'язані зі структурою і характером теплового руху молекул речовини. Для рідин T1 и T2, як правило, близькі, але стають різко різними при кристалізації, що супроводжується завжди значним зменшенням T1. Великі T 1 в дуже чистих діамагнітних кристалах пояснюються дещицею внутрішніх магнітних полів. У кристалах, що містять парамагнітні домішки, тепловий контакт з гратами здійснюється небагатьма ядрами, що знаходяться поблизу від атомів домішки, де локальне поле значно сильніше. Рівноважний розподіл, що утворилося біля атома домішки, поширюється по всьому кристалу за рахунок обміну станами сусідніх ядерних спінів в результаті магнітного дипольного взаємодії (спінова теплопровідність). В металах і сплавах основний механізм релаксації - взаємодія електронів провідності з ядерними моментами. Воно призводить також до зрушення резонансних частот (див. Найтовскій зсув ).

Резонансна лінія має ширину Dw = 2 / T2 ( рис. 2 ). У сильних полях H1 наступає "насичення" - збільшення ширини і зменшення амплітуди лінії при ? g ? H 1> (T1T2) -1 / 2 . Насичення супроводжується зменшенням ядерної намагніченості. Цьому відповідає вирівнювання населенностей рівнів в результаті переходів, викликаних полем H1. Ширина ліній в кристалах визначається магнітним полем сусідніх ядер. Для багатьох кристалів спін- спінова взаємодія ядер настільки велике, що призводить до розщеплення резонансної лінії.

Великий вплив на часи релаксації, ширину і форму ліній ЯМР надає взаємодію електричного квадрупольного моменту ядер Q з локальним електричним полем в речовині. У рідинах ЯМР для ядер з великим Q вдається спостерігати тільки на речовинах з симетричною будовою молекул, що виключає появу квадрупольного взаємодії (наприклад, 73 Ge в тетраедричних молекулі GeCl 4). У кристалах квадрупольними взаємодія часто дає розщеплення рівнів ЯМР "m Н0. У цьому випадку поглинання енергії визначається ядерним квадрупольним резонансом .

Спектри ЯМР в рухливих рідинах для ядер зі спіном I = 1/2 и Q = 0 відрізняються вузькими лініями (ЯМР високого дозволу). Спектри високого дозволу виходять для протонів, ядер 19 F, 13 C, 31 P і деяких інших ядер. Одиночні лінії в цьому випадку виходять тільки якщо спостерігається ЯМР ядер, що займають хімічно еквівалентні положення (наприклад, лінії водню в спектрах води, бензолу, циклогексану). Всі з'єднання більш складної будови дають спектри з багатьох ліній ( рис. 3 ), що пов'язано з двома ефектами. Перший, так званий хімічний зсув, - результат взаємодії оточуючих ядро ??електронів з полем H0.

Обурення станів електронів викликає зменшення постійної складової поля, що діє на ядра, пропорційне H0. Величина хімічного зсуву залежить від структури електронних оболонок і, т. о., від характеру хімічних зв'язків, що дозволяє судити про структуру молекул по спектру ЯМР. Другим ефектом є непряме спін-спінова взаємодія. Безпосереднє магнітне взаємодія ядер в рухливих рідинах утруднено через броунівського руху молекул; непряме спін- спінова взаємодія обумовлено поляризацією електронних оболонок полем ядерних моментів. Величина розщеплювань в цьому випадку не залежить від H0.

Спостереження спектрів ЯМР здійснюється шляхом повільної зміни частоти зі поля H 1 або напруженості поля H 0. Часто застосовується модуляція поля Але полем звукової частоти. При дослідженнях кристалів кращу чутливість дає метод "швидкої модуляції": поле H 0 модулюється звуковою частотою так, що процеси, які визначаються часом релаксації T1, не встигають завершитися за період модуляції, і стан системи спинив нестаціонарні. Застосовуються також імпульсні методи ( вплив поля H1 обмежена в часі короткими імпульсами). Найважливіші з них - метод спінового відлуння та фур'є-спектроскопія .

Едс індукції пропорційна H20. Тому зазвичай експерименти виконують в сильному магнітному полі. Основним елементом радіочастотної апаратури, вживаної для спостереження ЯМР, є налаштований на частоту прецесії контур, в котушку індуктивності якого поміщається досліджувана речовина. Котушка виконує 2 функції: створює чинне на досліджувану речовину радіочастотне магнітне поле H1 і сприймає ерс, наведені прецессией ядерних моментів. Контур включається в радіочастотний міст або в генератор, що працює на порозі генерації.

Методом ЯМР були виміряні моменти атомних ядер, вперше досліджені стану зінверсної заселенностью рівнів. Дослідження релаксаційних процесів, ширини і тонкої структури ліній ЯМР дали багато відомостей про структуру рідин і твердих тіл. ЯМР високого дозволу являє собою поряд з інфрачервоної спектроскопією стандартний метод визначення будови органічних молекул. Тісний зв'язок форми сигналів з внутрішнім рухом в речовині дозволяє використовувати ЯМР для дослідження загальмованих обертань в молекулах і кристалах. ЯМР використовується також для вивчення механізму і кінетики хімічних реакцій. На ЯМР засновані прилади для прецизійного вимірювання та стабілізації магнітного поля (див. Квантовий магнітометр ). За відкриття і пояснення ЯМР (1946) Ф. Блоху і Е. Перселла була присуджена Нобелівська премія з фізики за 1952.

Літ.: Вloch F., "Physical Review", 1946, v. 70,? 7-8, p. 460; Bioembergen N., Purcell EM, Pound RV, там же, 1948, v. 73,? 7, p. 679; Абрагам А., Ядерний магнетизм, пров. з англ., М., 1963; Александров І. В., Теорія магнітної релаксації. Релаксація в рідинах і твердих неметалевих парамагнетиках, М., 1975; Сліктер Ч., Основи теорії магнітного резонансу з прикладами з фізики твердого тіла, [пер.], М., 1967; поплив Д., Шнейдер В., Бернстейн Г., Спектри ядерного магнітного резонансу високого дозволу, пер. з англ., М., 1962; Емелі Дж., Финей Дж., Саткліф Л., Спектроскопія ядерного магнітного резонансу високого дозволу, пер. з англ., т. 1-2, М., 1968-69; Фаррар Т ., Беккер Е., Імпульсна і фур'є-спектроскопія ЯМР, пров. з англ., М., 1973.

© К. В. Володимирський.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка