Ядерний магнітний резонанс

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Ця стаття присвячена явищу ядерного магнітного резонансу. Якщо вас цікавить ЯМР-спектроскопія, дивіться статтю ЯМР-спектроскопія.

Я́дерний магні́тний резона́нс (ЯМР) — це явище резонансного поглинання радіочастотних хвиль деякими ядрами атомів, що розміщені у зовнішньому магнітному полі. Найчастіше ЯМР досліди проводять на ядрах атомів водню, тобто на протонах, або на ядрах ізотопу вуглецю 13С. На базі ЯМР була розвинута ЯМР-спектроскопія, що дозволяє з великою точністю розрізняти ядра елемента за їхніми властивостями в різному оточенні в молекулі.

Принципи ЯМР[ред.ред. код]

Ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядер. Ядра, які мають відмінний від нуля спін I, мають також пропорційний до нього магнітний момент.

Розщеплення ядерних спінових рівнів в зовнішньому магнітному полі
\mathbf{\mu}=\gamma\mathbf I,

де \gamma — це гіромагнітне співвідношення ядра. При накладанні зовнішнього статичного магнітного поля B0 енергія взаємодії ядерних магнітних моментів з полем

E =-\mathbf{\mu}\mathbf B_0

матиме лише дискретні значення. Це пов'язано з тим, що проекція спіну на вибраний напрямок у просторі (в даному випадку напрямок поля B0) 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 статичне магнітне поле, отримує здатність до резонансного поглинання електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону при переходах між енергетичними рівнями. Циклічна частота хвиль \omega, що поглинаються, пов'язана з різницею енергій між рівніями \Delta E відомим співвідношенням із квантової механіки

\Delta E=\hbar\omega.

Пояснення ЯМР дуже подібне до пояснення ефекту Зеємана. У простому випадку системи ізольованих ядер зі спіном 1/2 ЯМР можна пояснити, не вдаючись до квантової механіки.

Спіновий гамільтоніан[ред.ред. код]

В квантовій механіці поведінка системи описується гамільтоніаном. Знаючи гамільтоніан можна визначити енергетичний спектр системи. Повний гамільтоніан системи спінів, що беруть участь у ЯМР, Hfull має структуру залежну від наявних в цій системі взаємодій. Найчастіше Hfull прийнято поділяти на дві частини одна з яких H описує взаємодію спінів із зовнішнім постійним магнітним полем B0 і взаємодію спінів з оточуючою речовиною а інша Hrf описує взаємодію спінів із зовнішнім змінним магнітним полем Brf(t)=2B1sinωt. Якщо поле B0 прикладене вздовж осі z а поле B1 зорієнтоване перпендикулярно до B0, наприклад, вздовж осі х, то формула для енергії взаємодії ізольованоґо спіну з магнітним полем дозволяє отримати наступний гамілтоніан

\hat H_{full}=\hat H+\hat H_{rf}=-\gamma B_0\hat I_z-\gamma 2B_1\hat I_x\sin\omega t.

В останньому виразі Ix і Iz відповідають спіновим операторам, котрих ще часто позначають буквою S. Перший доданок у правій частині описує Зеєманівську взаємодію електрона з постійним маґнітним полем. Його ше часто позначають HZ. Крім того слід зауважити, що в цьому випадку отримується: H = HZ. Зазвичай амплітуда постійного магнітного поля є значно білшою ніж змінного. Це дозволяє розглядати переходи між спіновими енергетичними рівнями на основі теорії збурень.

Гамільтоніан H може мати складнішу форму якщо ядерні спіни взаємодіють не лише із зовнішнім полем але й між собою. Для системи двох спінів, між якими існує магнітна дипольна взаємодія, гамільтоніан H можна записати у наступній формі

\hat H=-\gamma B_0\hat I_{1z}-\gamma B_0\hat I_{2z}+\frac{D}{r^3}\left(\hat{\vec I_1}\hat{\vec I_2}- 3\frac{\left(\hat{\vec I_1}\vec r\right)\left(\hat{\vec I_2}\vec r\right)}{r^2}\right).

Тут D це константа, яка може бути виражена через фундаментальні фізичні константи. Вектор r з'єднує обидва ядра. В останньому гамільтоніані два перші доданки описують Зеєманівську взаємодію обидвох електронів з постійним магнітним полем а останній доданок відповідає за магнітну дипольну взаємодію між ними. Тому гамільтоніан H можна схематично записати у вигляді H = HZ + HDD, де HDD це гамільтоніан магнітної дипольної взаємодії.

Історія[ред.ред. код]

У конденсованій речовині ЯМР вперше спостерігали в 1946 році Фелікс Блох і Едвард Перселл (Edward Mills Purcell), які були удостоєні за це Нобелівської премії в 1952 році.

Застосування[ред.ред. код]

Ядерний магнітний резонанс також знайшов широке застосування в фізиці, біології, медицині, неруйнівному контролі та індустрії. За допомогою ЯМР можна вивчати взаємодію між ядерними магнітними моментами, а також магнітну взаємодію ядер з електронними спінами і орбітальними магнітними моментами. Аналіз ЯМР-спектрів використовується для визначення структури і складу хімічних сполук. Відкриття ЯМР спричинило революцію 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 не можливо 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 розсіяння, проводяться підповерхневі дослідження. Це дає змогу контролювати процеси виготовлення бетону, сушіння деревини, перевіряти якість автомобільних шин. ЯМР також використовується для дослідження геологічних порід і пошуку нафти та природного газу.

Див. також[ред.ред. код]


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.