Примеры практического использования ЯМР

Явление магнитного резонанса употребляется для обнаружения и измерения электронных и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обосновано парамагнитной ориентацией электронов и ядер наружным полем и их ларморовской прецессией относительно направления наружного поля. Частота ларморовской прецессии пропорциональна напряженности магнитного поля, приложенного в области нахождения прецессирующего электрона либо ядра. Когда примыкающие частички дают вклад в локальное магнитное поле, он измеряется по сдвигу частоты прецессии. Дополнительный сдвиг частоты прецессии может произойти также за счет неоднородных электронных полей, создаваемых примыкающими частичками.

В качестве примера практической реализации ЯМР для целей измерения разглядим конструкцию высокочувствительного датчика для измерения магнитной индукции слабенького магнитного поля.

Устройство содержит катушку индуктивности, которая в качестве сердечника содержит ампулу с газообразным веществом. Магнитные моменты ядер вещества, внесенного в магнитное поле, ориентируются по направлению его магнитной индукции прецессируя с частотой:

Через некое время при совпадении векторов намагниченности и наружного поля вещество приобретает стационарную намагниченность. В данном способе эталон подвергается радиочастотному облучению постоянной частоты, в то время как сила магнитного поля меняется, потому его еще именуют способом неизменного поля.

Рис. 1.10 Схематическое изображение установки для опыта по магнитному резонансу. Резонанс достигается в радиочастотном спектре. Катушка (а) и резонатор (б) присоединяются к источникам переменного поля и измерителям утраты мощности.

Исследуемый эталон помещается вовнутрь радиочастотной катушки либо микроволнового резонатора, расположенных меж полюсами магнита. Очень высочайшая точность опции установки и ее чувствительность при определении поглощаемой мощности – главное преимущество способа магнитного резонанса. В стандартной экспериментальной методике частота колебаний ω поперечного поля поддерживается неизменной и резонанс достигается при помощи конфигурации напряженности поля , что приводит к неспешному изменению частоты прецессии . На дисплее осциллографа при всем этом можно следить компоненту M, колеблющуюся или в противофазе с управляющим поперечным полем (т.е. поглощаемую мощность), или в фазе с ним (рис. 1.11).

Рис. 1.11 Сигналы магнитного резонанса протона в водянистом водороде, отражающие зависимость от величины индукции магнитного поля для поглощаемой средой мощностью излучения (а) и магнитного момента М частички (б).

На применении ЯМР основан механизм работы устройств для стабилизации и точнейших измерений характеристик магнитного поля, также для анализа консистенций по их изотопному составу. К примеру, сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутствии ядер изотопа углерод-13, что предназначило применение ЯМР и его разновидности — ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) в исследовании углеводородов, в особенности природных (нефть).

В методиках ЯМР есть много способностей определять хим строение веществ, конформации молекул, эффекты обоюдного воздействия, внутримолекулярные перевоплощения. Ядра с нецелым спином могут вступать во взаимодействие с наружным магнитным полем, переходя в итоге на другие энерго уровни. Энергия этих уровней строго квантована и находится в зависимости от природы ядра, его электрического окружения, разных внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Воздействие электрической оболочки на ЯМР проявляется, а именно, последующим образом. Наружное магнитное поле, в которое помещен исследуемый эталон, действует на электроны атомов либо молекул эталона. В случае диамагнитного эталона в электрических оболочках его атомов наружным полем индуцируются такие токи, которые делают вторичное магнитное поле, направленное в сторону, обратную наружному полю. Это вторичное поле также действует на ядро атома. Складываясь с наружным полем, оно уменьшает действие последнего на ядро.

При магнитной индукции поля (В) равной 1 Тл резонансное поглощение наступает при частоте Гц. Диапазон поглощения тем обширнее, чем больше вязкость и меньше молекулярная подвижность. Полосы ЯМР существенно уже, чем при ЭПР. Диапазон сдвигается за счет взаимодействия ядерного магнитного момента с электрическим. Потому ЯМР охарактеризовывает структуру и строение вещества. Практическая реализация эффекта базирована на резком возрастании поглощения энергии электрической волны в системах атомных ядер при наружном магнитном поле. Рабочая частота находится в границах 200 МГц. Диапазон поглощения тем обширнее, чем больше вязкость и меньше молекулярная подвижность. Полосы диапазона существенно уже, чем в электрическом резонансе, потому его употребляют для исследования строений молекул и изотопного анализа.

Явление ядерного магнитного резонанса используют в физике, химии, в медицине (человеческий организм — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул). Чтоб следить это явление, объект помещают в неизменное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, появляется переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный диапазон которой и переходные во времени свойства несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, также о других параметрах, специфичных только для ядерного магнитного резонанса. После обработки на ЭВМ эта информация перебегает в ЯМР — изображение, которое охарактеризовывает плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, рассредотачивание скоростей потока воды, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.