Відкрити головне меню

Ядерний магнітний резонанс

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. Ідентифікує структуромінливі сполуки.

Принципи ЯМРРедагувати

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
 ,

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

 

матиме лише дискретні значення. Це пов'язано з тим, що проекція спіну на вибраний напрямок у просторі (у цьому 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  , що поглинаються, пов'язана з різницею енергій між рівніями   відомим співвідношенням із квантової механіки

 .

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 гамільтоніанРедагувати

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

 .

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

 .

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.

ІсторіяРедагувати

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.

ЗастосуванняРедагувати

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.

Спектp ядеpного магнiтного pезонансуРедагувати

англ. nuclear magnetic resonance spectrum

Крива (сигнал) поглинання або першої похiдної поглинання енергiї електромагнiтного поля в області радiочастот, що реєструється при певнiй резонанснiй частотi i лiнiйно змiннiй (зростаючiй або зменшуванiй) напрузi зовнiшнього статичного магнiтного поля.

Дотичні терміниРедагувати

  • Квадpупольна релаксацiя — в ядерному магнiтному резонансi — релаксацiя, зумовлена взаємодiєю електричних квадрупольних моментiв ядер молекулярної частинки з оточуючим їх неоднорiдним електричним полем.

Див. такожРедагувати

ДжерелаРедагувати

  • Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0

ПосиланняРедагувати