Ядерний магнітний резонанс

Відео: Ядерний магнітний резонанс

Ця стаття присвячена явищу ядерного магнітного резонансу. Якщо вас цікавить ЯМР-спектроскопія, дивіться статтю ЯМР-спектроскопія.

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) - це явище резонансного поглинання радіочастотних хвиль деякими ядрами атомів, розміщених у зовнішньому магнітному полі. Найчастіше ЯМР досліди проводять на ядрах атомів водню, тобто на протонах, або на ядрах ізотопу вуглецю 13 С. На базі ЯМР була розвинена ЯМР-спектроскопія, що дозволяє з виликом точністю розрізняти ядер елементів з їх властивостями в різному оточенні в молекулі.
Ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядер. Ядра, які мають відмінний від нуля спін I, повинні також пропорційний нього магнітний момент.
Розщеплення ядерних спінових рівнів в зовнішньому магнітному полі

,

де? - це гіромагнітне відношення ядра. При накладенні зовнішнього статичного магнітного поля B 0 енергія взаємодії ядерних магнітних моментів з полем





мати лише дискретні значення. Це пов`язано з тим, що проекція спина на обраний напрям в просторі (в даному випадку напрямок поля B 0) може приймати лише дискретні значення. В термодинамічній рівновазі заселеність енергетичних рівнів буде різною і визначатиметься згідно з розподілом Больцмана. В результаті система ядер, поміщена в статичну магнітне поле, отримує здатність до резонансного поглинання електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону при переходах між енергетичними рівнями. Циклічна частота хвиль?, Що поглинаються, пов`язана з різницею енергій між рівні і? E відомим співвідношенням по квантовій механіці

.

Пояснення ЯМР дуже подібне пояснення ефекту Зеемана. У найпростішому випадку системи ізольованих ядер зі спіном 1/2 ЯМР можна пояснити, не вдаючись до квантової механіки.
спіновий гамильтониан
У квантовій механіці поведінка системи описується гамильтонианом. Знаючи гамільтоніан можна визначити енергетичний спектр системи. Повний гамільтоніан системи спинив, що беруть участь в ЯМР, H full має структуру залежну від наявних в цій системі взаємодій. найчастіше H full прийнято ділити на дві частини одна з яких H описує взаємодію спінів із зовнішнім постійним магнітним полем B 0 і взаємодія спинив з навколишнім речовиною а інша H rf описує взаємодію спінів із зовнішнім змінним магнітним полем B rf (t) = 2 B 1 sin ?t. якщо поле B 0 докладено вздовж осі z а поле B 1 орієнтоване перпендикулярно B 0, наприклад, уздовж осі х, то формула для енергії взаємодії ізольованого спина з магнітним полем дозволяє отримати наступний гамілтоніан



.

В останньому виразі I x і I z відповідають спінових операторам, яких ще часто позначають буквою S. Перший доданок в правій частині описує зєємановських взаємодія електрона з постійним магнітним полем. Його е часто позначають H Z. Крім того слід зазначити, що в цьому випадку виходить: H = H Z. Зазвичай амплітуда постійного магнітного поля значно білше ніж змінного. Це дозволяє розглядати переходи між спіновими енергетичними рівнями на основі теорії збурень.
гамільтоніан H може мати складну форму якщо ядерні спини взаємодіють не тільки із зовнішнім полем але і між собою. Для системи двох спинив, між якими існує магнітна дипольномувзаємодія, гамильтониан H можна записати в наступній формі

.

тут D це константа, яка може бути виражена через фундаментальні фізичні константи. Вектор r з`єднує обидва ядра. В останньому гамільтоніані два перших доданків описують зєємановських взаємодія обох електронів з постійним магнітним полем а останній доданок відповідає за магнітний дипольний взаємодія між ними. Тому гамильтониан H можна схематично записати у вигляді H = H Z + H DD, де H DD це гамильтониан магнітної дипольної взаємодії.
У конденсованої речовині ЯМР вперше спостерігали в 1946 році Фелікс Блох і Едвард Парселл (Edward Mills Purcell), які були удостоєні за це Нобелівську премію в 1952 році.
Ядерний магнітний резонанс також знайшов широке застосування у фізиці, біології, медицині, неруйнівного контролю та індустрії. За допомогою ЯМР можна вивчати взаємодію між ядерними магнітними моментами, а також магнітне взаємодія ядер з електронними спинами і орбітальними магнітними моментами. Аналіз ЯМР-спектрів використовується для визначення структури і складу хімічних сполук. Відкриття ЯМР призвело до революції в методах ідентифікації органічних сполук. Поряд з методом дифракції рентгенівських променів ЯМР використовують для встановлення структури біологічних макромолекул. Цей метод стає особливо важливим коли досліджувана речовина знаходиться в розчині і її неможливо кристалізувати. Побудована на базі ЯМР магнітно-резонансна томографія широко використовується в медицині для дослідження внутрішніх органів і біологічних тканин. За допомогою сучасної ЯМР техніки, що працює в магнітних полях розсіювання, проводяться підповерхневі дослідження. Це дозволяє контролювати процеси виготовлення бетону, сушка деревини, перевіряти якість автомобільних шин. ЯМР також використовується для дослідження геологічних порід і пошуку нафти і природного газу.


Увага, тільки СЬОГОДНІ!