Надо Знать

добавить знаний



Ядерный магнитный резонанс



План:


Введение

Эта статья посвящена явлению ядерного магнитного резонанса. Если вас интересует ЯМР-спектроскопия, смотрите статью ЯМР-спектроскопия.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - это явление резонансного поглощения радиочастотных волн некоторыми ядрами атомов, размещенных во внешнем магнитном поле. Чаще ЯМР опыты проводят на ядрах атомов водорода, то есть на протонах, или на ядрах изотопа углерода 13 С. На базе ЯМР была развита ЯМР-спектроскопия, позволяющий с большой точностью различать ядра элемента с их свойствами в разном окружении в молекуле.


1. Принципы ЯМР

Ядерный магнитный резонанс возникает за счет магнитных свойств ядер. Ядра, имеющие отличный от нуля спин I, имеют также пропорционален него магнитный момент.

Расщепление ядерных спиновых уровней во внешнем магнитном поле
\ Mathbf {\ mu} = \ gamma \ mathbf I ,

где \ Gamma - Это гиромагнитного соотношения ядра. При наложении внешнего статического магнитного поля B 0 энергия взаимодействия ядерных магнитных моментов с полем

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

иметь лишь дискретные значения. Это связано с тем, что проекция спина на выбранное направление в пространстве (в данном случае направление поля B 0) может принимать только дискретные значения. В термодинамическом равновесии заселенность энергетических уровней будет различной и определяется в соответствии с распределением Больцмана. В результате система ядер, помещена в статическое магнитное поле, получает способность к резонансного поглощения электромагнитных волн радиочастотного диапазона при переходах между энергетическими уровнями. Циклическая частота волн \ Omega , Поглощаемых связана с разностью энергий между уровне а \ Delta E известным соотношением из квантовой механики

\ Delta E = \ hbar \ omega .

Объяснение ЯМР очень похоже на объяснение эффекта Зеемана. В простейшем случае системы изолированных ядер со спином 1/2 ЯМР можно объяснить, не прибегая к квантовой механики.


1.1. Спиновый гамильтониан

В квантовой механике поведение системы описывается гамильтонианом. Зная гамильтониан можно определить энергетический спектр системы. Полный гамильтониан системы спинов, участвующих в ЯМР, H full имеет структуру зависящую от имеющихся в этой системе взаимодействий. Чаще H full принято делить на две части одна из которых H описывает взаимодействие спинов с внешним постоянным магнитным полем B 0 и взаимодействие спинов с окружающей веществом а другая H rf описывает взаимодействие спинов с внешним переменным магнитным полем B rf (t) = 2 B 1 sin ωt. Если поле B 0 приложенное вдоль оси z а поле B 1 ориентированное перпендикулярно B 0, например, вдоль оси х, то формула для энергии взаимодействия изолированного спина с магнитным полем позволяет получить следующий гамилтониан

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

В последнем выражении I x и I z соответствуют спиновым операторам, которых еще часто обозначают буквой S. Первое слагаемое в правой части описывает Зееманивську взаимодействие электрона с постоянным магнитным полем. Его е часто обозначают H Z. Кроме того, следует заметить, что в этом случае получается: H = H Z. Обычно амплитуда постоянного магнитного поля значительно билшою чем переменного. Это позволяет рассматривать переходы между спиновыми энергетическими уровнями на основе теории возмущений.

Гамильтониан H может иметь сложную форму если ядерные спины взаимодействуют не только с внешним полем но и между собой. Для системы двух спинов, между которыми существует магнитная дипольное взаимодействие, гамильтониан H можно записать в следующей форме

\ 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) .

Здесь D это константа, которая может быть выражена через фундаментальные физические константы. Вектор r соединяет оба ядра. В последнем гамильтониан два первых слагаемых описывают Зееманивську взаимодействие обоих электронов с постоянным магнитным полем а последнее слагаемое отвечает за магнитную дипольного взаимодействия между ними. Поэтому гамильтониан H можно схематически записать в виде H = H Z + H DD, где H DD это гамильтониан магнитной дипольного взаимодействия.


2. История

В конденсированной веществе ЯМР впервые наблюдали в 1946 году Феликс Блох и Эдвард Перселл (Edward Mills Purcell), которые были удостоены за это Нобелевской премии в 1952 году.

3. Применение

Ядерный магнитный резонанс также нашел широкое применение в физике, биологии, медицине, неразрушающему контролю и индустрии. С помощью ЯМР можно изучать взаимодействие между ядерными магнитными моментами, а также магнитное взаимодействие ядер с электронными спинами и орбитальными магнитными моментами. Анализ ЯМР-спектров используется для определения структуры и состава химических соединений. Открытие ЯМР привело к революции в методах идентификации органических соединений. Наряду с методом дифракции рентгеновских лучей ЯМР используют для установления структуры биологических макромолекул. Этот метод становится особенно важным когда исследуемое вещество находится в растворе и ее не возможно кристаллизовать. Построенная на базе ЯМР магнитно-резонансная томография широко используется в медицине для исследования внутренних органов и биологических тканей. С помощью современной ЯМР техники, работающей в магнитных полях рассеяния, проводятся подповерхностные исследования. Это позволяет контролировать процессы изготовления бетона, сушка древесины, проверять качество автомобильных шин. ЯМР также используется для исследования геологических пород и поиска нефти и природного газа.


См.. также


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам