www.wikidata.uk-ua.nina.az

Ядерний магнітний резонанс Ця стаття присвячена явищу ядерного магнітного резонансу Якщо вас цікавить ЯМР спектроскопія

Ядерний магнітний резонанс

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 ЯМР Редагувати

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 проєкція 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 гамільтоніан Редагувати

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 ще 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.

Історія Редагувати

Вперше явище ядерного магнітного резонансу, у молекулярних пучках, відкрив в 1938 році Ісидор Рабі, внаслідок чого він був удостоєний Нобелівської премії в 1944 році. 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.

Застосування Редагувати

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.

Спектр ядерного магнітного резонансу Редагувати

Крива (сигнал) поглинання або першої похідної поглинання енергії електромагнітного поля в області радіочастот, що реєструється за певної резонансної частоти і лінійно змінної (зростаючої або спадної) напруги зовнішнього статичного магнітного поля.

Дотичні терміни Редагувати

  • Квадрупольна релаксація — в ядерному магнітному резонансі — релаксація, зумовлена взаємодією електричних квадрупольних моментів ядер молекулярної частинки з навколишнім неоднорідним електричним полем.

Див. також Редагувати

Джерела Редагувати

  • 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

Посилання Редагувати

Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.
  1. Ісидор Айзек Рабі 1944 nobelprize.org. NobelPrize.org (амер.). Процитовано 24 травня 2023. 
  2. Фелікс Блох, Едвард Перселл 1952 www.nobelprize.org. NobelPrize.org (амер.). Процитовано 24 травня 2023. 
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Cya stattya prisvyachena yavishu yadernogo magnitnogo rezonansu Yaksho vas cikavit YaMR spektroskopiya divitsya stattyu YaMR spektroskopiya Ya dernij magni tnij rezona ns YaMR ce yavishe rezonansnogo poglinannya radiochastotnih hvil deyakimi yadrami atomiv sho rozmisheni u zovnishnomu magnitnomu poli Najchastishe YaMR doslidi provodyat na yadrah atomiv vodnyu tobto na protonah abo na yadrah izotopu vuglecyu 13S Na bazi YaMR bula rozvinuta YaMR spektroskopiya sho dozvolyaye z velikoyu tochnistyu rozriznyati yadra elementa za yihnimi vlastivostyami v riznomu otochenni v molekuli Identifikuye strukturominlivi spoluki Zmist 1 Principi YaMR 1 1 Spinovij gamiltonian 2 Istoriya 3 Zastosuvannya 3 1 Spektr yadernogo magnitnogo rezonansu 4 Dotichni termini 5 Div takozh 6 Dzherela 7 PosilannyaPrincipi YaMR RedaguvatiYadernij magnitnij rezonans vinikaye za rahunok magnitnih vlastivostej yader Yadra yaki mayut vidminnij vid nulya spin I mayut takozh proporcijnij do nogo magnitnij moment nbsp Rozsheplennya yadernih spinovih rivniv v zovnishnomu magnitnomu polim g I displaystyle mathbf mu gamma mathbf I nbsp de g displaystyle gamma nbsp ce giromagnitne spivvidnoshennya yadra Pri nakladanni zovnishnogo statichnogo magnitnogo polya B0 energiya vzayemodiyi yadernih magnitnih momentiv z polem E m B 0 displaystyle E mathbf mu mathbf B 0 nbsp matime lishe diskretni znachennya Ce pov yazano z tim sho proyekciya spinu na vibranij napryamok u prostori u comu vipadku napryamok polya B0 mozhe prijmati lishe diskretni znachennya V termodinamichnij rivnovazi zaselenist energetichnih rivniv bude riznoyu i viznachatimetsya zgidno z rozpodilom Bolcmana V rezultati sistema yader pomishena v statichne magnitne pole otrimuye zdatnist do rezonansnogo poglinannya elektromagnitnih hvil radiochastotnogo diapazonu pri perehodah mizh energetichnimi rivnyami Ciklichna chastota hvil w displaystyle omega nbsp sho poglinayutsya pov yazana z rizniceyu energij mizh rivniyami D E displaystyle Delta E nbsp vidomim spivvidnoshennyam iz kvantovoyi mehaniki D E ℏ w displaystyle Delta E hbar omega nbsp Poyasnennya YaMR duzhe podibne do poyasnennya efektu Zeyemana U prostomu vipadku sistemi izolovanih yader zi spinom 1 2 YaMR mozhna poyasniti ne vdayuchis do kvantovoyi mehaniki Spinovij gamiltonian Redaguvati V kvantovij mehanici povedinka sistemi opisuyetsya gamiltonianom Znayuchi gamiltonian mozhna viznachiti energetichnij spektr sistemi Povnij gamiltonian sistemi spiniv sho berut uchast u YaMR Hfull maye strukturu zalezhnu vid nayavnih v cij sistemi vzayemodij Najchastishe Hfull prijnyato podilyati na dvi chastini odna z yakih H opisuye vzayemodiyu spiniv iz zovnishnim postijnim magnitnim polem B0 i vzayemodiyu spiniv z otochuyuchoyu rechovinoyu a insha Hrf opisuye vzayemodiyu spiniv iz zovnishnim zminnim magnitnim polem Brf t 2B1sinwt Yaksho pole B0 prikladene vzdovzh osi z a pole B1 zoriyentovane perpendikulyarno do B0 napriklad vzdovzh osi h to formula dlya energiyi vzayemodiyi izolovanogo spinu z magnitnim polem dozvolyaye otrimati nastupnij gamiltonian H f u l l H H r f g B 0 I z g 2 B 1 I x sin w t displaystyle hat H full hat H hat H rf gamma B 0 hat I z gamma 2B 1 hat I x sin omega t nbsp V ostannomu virazi Ix i Iz vidpovidayut spinovim operatoram kotrih she chasto poznachayut bukvoyu S Pershij dodanok u pravij chastini opisuye Zeyemanivsku vzayemodiyu elektrona z postijnim magnitnim polem Jogo she chasto poznachayut HZ Krim togo slid zauvazhiti sho v comu vipadku otrimuyetsya H HZ Zazvichaj amplituda postijnogo magnitnogo polya ye znachno bilshoyu nizh zminnogo Ce dozvolyaye rozglyadati perehodi mizh spinovimi energetichnimi rivnyami na osnovi teoriyi zburen Gamiltonian H mozhe mati skladnishu formu yaksho yaderni spini vzayemodiyut ne lishe iz zovnishnim polem ale j mizh soboyu Dlya sistemi dvoh spiniv mizh yakimi isnuye magnitna dipolna vzayemodiya gamiltonian H mozhna zapisati u nastupnij formi H g B 0 I 1 z g B 0 I 2 z D r 3 I 1 I 2 3 I 1 r I 2 r r 2 displaystyle 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 nbsp Tut D ce konstanta yaka mozhe buti virazhena cherez fundamentalni fizichni konstanti Vektor r z yednuye obidva yadra V ostannomu gamiltoniani dva pershi dodanki opisuyut Zeyemanivsku vzayemodiyu obidvoh elektroniv z postijnim magnitnim polem a ostannij dodanok vidpovidaye za magnitnu dipolnu vzayemodiyu mizh nimi Tomu gamiltonian H mozhna shematichno zapisati u viglyadi H HZ HDD de HDD ce gamiltonian magnitnoyi dipolnoyi vzayemodiyi Istoriya RedaguvatiVpershe yavishe yadernogo magnitnogo rezonansu u molekulyarnih puchkah vidkriv v 1938 roci Isidor Rabi vnaslidok chogo vin buv udostoyenij Nobelivskoyi premiyi v 1944 roci 1 U kondensovanij rechovini YaMR vpershe sposterigali v 1946 roci Feliks Bloh i Edvard Persell Edward Mills Purcell yaki buli udostoyeni za ce Nobelivskoyi premiyi v 1952 roci 2 Zastosuvannya RedaguvatiYadernij magnitnij rezonans takozh znajshov shiroke zastosuvannya v fizici biologiyi medicini nerujnivnomu kontroli ta industriyi Za dopomogoyu YaMR mozhna vivchati vzayemodiyu mizh yadernimi magnitnimi momentami a takozh magnitnu vzayemodiyu yader z elektronnimi spinami i orbitalnimi magnitnimi momentami Analiz YaMR spektriv vikoristovuyetsya dlya viznachennya strukturi i skladu himichnih spoluk Vidkrittya YaMR sprichinilo revolyuciyu v metodah identifikaciyi organichnih spoluk Poryad z metodom difrakciyi rentgenivskih promeniv YaMR vikoristovuyut dlya vstanovlennya strukturi biologichnih makromolekul Cej metod staye osoblivo vazhlivim koli doslidzhuvana rechovina znahoditsya v rozchini i yiyi ne mozhlivo kristalizuvati Pobudovana na bazi YaMR magnitno rezonansna tomografiya shiroko vikoristovuyetsya v medicini dlya doslidzhennya vnutrishnih organiv i biologichnih tkanin Za dopomogoyu suchasnoyi YaMR tehniki sho pracyuye v magnitnih polyah rozsiyannya provodyatsya pidpoverhnevi doslidzhennya Ce daye zmogu kontrolyuvati procesi vigotovlennya betonu sushinnya derevini pereviryati yakist avtomobilnih shin YaMR takozh vikoristovuyetsya dlya doslidzhennya geologichnih porid i poshuku nafti ta prirodnogo gazu Spektr yadernogo magnitnogo rezonansu Redaguvati Dokladnishe YaMR spektroskopiyaKriva signal poglinannya abo pershoyi pohidnoyi poglinannya energiyi elektromagnitnogo polya v oblasti radiochastot sho reyestruyetsya za pevnoyi rezonansnoyi chastoti i linijno zminnoyi zrostayuchoyi abo spadnoyi naprugi zovnishnogo statichnogo magnitnogo polya Dotichni termini RedaguvatiKvadrupolna relaksaciya v yadernomu magnitnomu rezonansi relaksaciya zumovlena vzayemodiyeyu elektrichnih kvadrupolnih momentiv yader molekulyarnoyi chastinki z navkolishnim neodnoridnim elektrichnim polem Div takozh RedaguvatiMagnitnij rezonans Elektronnij paramagnitnij rezonans Metod YaMR spektroskopiya Rozparuvannya spiniv Himichno indukovana dinamichna polyarizaciya yader Magnitna ekvivalentnist Magnitne ekranuvannya yadra AnizohronnistDzherela RedaguvatiGlosarij terminiv z himiyi J Opejda O Shvajka In t fiziko organichnoyi himiyi ta vuglehimiyi im L M Litvinenka NAN Ukrayini Doneckij nacionalnij universitet Doneck Veber 2008 758 s ISBN 978 966 335 206 0Posilannya RedaguvatiYaDERNIJ MAGNITNIJ REZONANS Farmacevtichna enciklopediya nbsp Ce nezavershena stattya z fiziki Vi mozhete dopomogti proyektu vipravivshi abo dopisavshi yiyi Isidor Ajzek Rabi 1944 nobelprize org NobelPrize org amer Procitovano 24 travnya 2023 Feliks Bloh Edvard Persell 1952 www nobelprize org NobelPrize org amer Procitovano 24 travnya 2023 Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Yadernij magnitnij rezonans amp oldid 39556946