Ядерный магнитный резонанс (Лабораторная работа 2.3)

Страницы работы

Содержание работы

Лабораторная работа 2.3

Г.В. Карпов, О. И. Мешков, С.Р. Шакиров.

Ядерный магнитный резонанс

Введение

Частицы, из которых состоят атомы, обладают собственными моментами импульса – спинами. Величина этих моментов порядка  - постоянной Планка. Эти частицы имеют также магнитные моменты, направленные параллельно спиновым (иногда – антипараллельно). Во внешнем магнитном поле эти моменты прецессируют, как быстрый волчок в поле тяжести. Воздействуя на частицы переменными магнитными полями, можно заставить эти частицы «кувыркаться» при совпадении частоты поля с частотой прецессии и можно наблюдать возникающие при этом явления. Подобные явления носят название парамагнитный резонанс.

Магнитный момент электрона на три порядка больше магнитных моментов протона и других атомных ядер. Поэтому явления, наблюдаемые при электронном парамагнитном резонансе и ядерном магнитном резонансе (ЯМР), и способы их наблюдения заметно отличаются друг от друга. В данной работе предлагается ознакомиться с одним из способов наблюдения ЯМР.

Для наблюдения ЯМР обычно выбирают вещества, в которых магнитные поля, создаваемые электронами, взаимно скомпенсированы, так что о влиянии их на движение магнитных моментов ядер можно для начала не вспоминать.

Если спин ядра I отличен от нуля и ядро обладает магнитным моментом , то при наложении внешнего магнитного поля имеет место квантование ориентаций магнитного момента ядра, а энергия взаимодействия  и  может принимать лишь ряд дискретных равноотстоящих значений. Переменное магнитное поле резонансной частоты будет вызывать переходы между этими уровнями энергии. Условие резонанса может быть записано в виде:

,

где  эВ/Гс эрг/Гс- ядерный магнетон Бора,  - ядерный фактор спектроскопического расщепления (см. ниже).

В 1937 г. американский физик Раби использовал метод магнитного резонанса для измерения магнитных моментов ядер на атомных пучках. Первые успешные наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в конденсированных средах были выполнены в постоянном магнитном поле порядка нескольких килоэрстед в конце 1945 года двумя группами американских физиков под руководством Ф. Блоха  и Э.М. Парселла. Блох наблюдал резонансное поглощение на протонах в воде, а Парселл обнаружил  резонансное поглощение на протонах в парафине. За это открытие они в 1952 году были удостоены Нобелевской премии.

С появлением в 50-х годах промышленных ЯМР-спектрометров высокого разрешения исследователи получили в руки новый исключительно мощный аналитический инструмент, позволяющий, например, легко и быстро определять структуру сложных молекул. Бурное развитие методов ЯМР продолжается и в наши дни. Оно обусловлено внедрением надежных сверхпроводящих магнитов совместно с импульсными методиками получения спектров. Разрешение и чувствительность приборов выросли настолько, что исследования можно проводить с микрограммами вещества. В результате с помощью импульсной спектроскопии ЯМР получают более обширную структурную информацию, чем с использованием любого другого отдельно взятого аналитического метода.

Ещё одним важным направлением в науке, основанным на ЯМР, является магнитно-резонансная томография (МРТ), широко используемая в медицине и биологии. На данный момент МРТ является наиболее информативным методом бесконтактного исследования в медицине, позволяющим получать изображение внутренних органов человека в разных плоскостях с пространственным разрешением лучше 1 мм. Данный метод особенно эффективен для изучения динамических процессов (например, состояния кровотока и результатов его нарушения) в органах и тканях.

Помимо этого, метод ЯМР применяется для прецизионного измерения магнитного поля с относительной точностью около 10-6.

ЯМР-спектрометр, используемый в данной лабораторной работе, использует эффект спинового эха. Калибровка прибора производится на протонах воды, далее производятся измерения магнитных моментов нескольких веществ с целью их идентификации.

1. Краткая теория ЯМР

Условия возникновения ЯМР. Квантово-механическое описание условий магнитного резонанса

Все ядра с нечётным массовым числом имеют спин, который принимает полуцелые значения, кратные ½ (спин частиц измеряют в единицах ). Ядра же с чётным массовым числом либо вообще не имеют спина (если заряд ядра чётный), либо имеют целочисленные значения спина. Значения спина всех известных стабильных ядер атомов лежат в пределах от 0 до 6.

Наличие спинового момента у ядра приводит к возникновению ядерного магнитного моментаμN, который пропорционален спину I и определяется выражением:

                                                                                          (1.1)

где, - постоянная Планка, а γN – гиромагнитное отношение ядра, имеющее единицей измерения радиан·сек-1·Гс-1. Выражение (1.1) показывает, что магнитный момент может быть выражен через безразмерную постоянную gN (так называемый ядерный g-фактор) и ядерный магнетон , где  и е – масса и заряд протона соответственно, а с – скорость света. Величины gN и I определяются природой ядра. Иногда ядерный момент, выраженный в единицах ядерного магнетона, записывают в виде скалярного магнитного момента .

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Атомная физика
Тип:
Отчеты по лабораторным работам
Размер файла:
2 Mb
Скачали:
0