Ядерный магнитный резонанс (Лабораторная работа 2.3)

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 моментаμ_N, который пропорционален спину I и определяется выражением:

                                                                                          (1.1)

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