Ядерный магнитный резонанс
Nuclear magnetic resonance
Ядерный магнитный резонанс
(ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитных волн атомными
ядрами, происходящее при изменении ориентации векторов их собственных моментов
количества движения (спинов). ЯМР возникает в образцах, помещённых в сильное
постоянное магнитное поле, при одновременном воздействии на них слабого
переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона (силовые линии
переменного поля должны быть перпендикулярны силовым линиям постоянного
поля). Для ядер водорода (протонов) в постоянном магнитном поле напряжённостью
104 эрстед резонанс наступает при частоте радиоволн 42.58 МГц.
Для других ядер в магнитных полях 103–104 эрстед ЯМР
наблюдается в диапазоне частот 1–10 МГц. ЯМР широко используется в физике,
химии и биохимии для исследования структуры твёрдых тел и сложных молекул.
В медицине с помощью ЯМР с разрешением 0.5–1 мм получают пространственное
изображение внутренних органов человека.
Переворот спина протона во внешних полях
|
Рассмотрим явление ЯМР на примере простейшего ядра
– водорода. Ядро водорода это протон, имеющий определённое значение собственного
механического момента количества движения (спина). В соответствии с квантовой
механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных
направления в пространстве, условно обозначаемых словами “вверх” и “вниз”.
Протон имеет также и магнитный момент, направление вектора которого жёстко
привязано к направлению вектора спина. Поэтому и вектор магнитного момента
протона может быть направлен либо “вверх”, либо “вниз”. Таким образом, протон
можно представить как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией
в пространстве. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле,
то энергия протона в этом поле будет зависеть от того, куда направлен его
магнитный момент. Энергия протона будет больше в том случае, если его магнитный
момент (и спин) направлен в сторону, противоположную полю. Эту энергию обозначим
E↑↓.
Если магнитный момент (спин) протона направлен в ту же сторону, что и поле,
то энергия протона, обозначаемая
E↑↑,
будет меньше (E↑↑ <
E↑↓).
Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону
добавить энергию ΔЕ =
E↑↓ − E↑↑,
то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его
спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая”
его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением
ΔЕ = ћω.
Перейдём от отдельного протона к макроскопическому образцу водорода,
содержащему большое число протонов. Ситуация будет выглядеть так. В образце
из-за усреднения случайных ориентаций спинов примерно равные количества
протонов при наложении постоянного внешнего магнитного поля окажутся относительно
этого поля со спинами, направленными “вверх” и “вниз”. Облучение образца
электромагнитными волнами с частотой ω = (E↑↓ −
E↑↑)/ћ,
вызовет “массовый” переворот спинов (магнитных моментов) протонов, в результате
которого все протоны образца окажутся в состоянии со спинами, направленными
против поля. Такой массовое изменение ориентации протонов будет сопровождаться
резким (резонансным) поглощением квантов (и энергии) облучающего электромагнитного
поля. Это и есть ЯМР. ЯМР можно наблюдать лишь в образцах с большим числом
ядер (1016), используя специальные методики и высокочувствительные
приборы.
См. также
|