25.Эффект ядерного магнитного резонанса. (ямр)

Заключается в избирательном поглощении электромагнитной энергии веществом, обусловленным ядерным парамагнетизмом. ЯМР – один из методов радиоспектроскопии, наблюдается, когда на исследуемый образец действуют взаимно перпендикулярные магнитные поля. Сильная постоянная и слабая радиочастотная . Являясь квантовым эффектом, ЯМР как и другие виды магнитных резонансов допускает классическое объяснение своих особенностей. Большинство атомных ядер имеет собственный момент количества движения:

- ядерный спин.

- спин.

Спин обуславливает дипольный магнитный момент ядра:

- гиромагнитное соотношение.

- безразмерная величина , определяемая структурой ядра.

Так называемый g- фактор равен нескольким единицам.

- ядерный магнитон.

- масса протона.

- заряд протона.

- скорость света.

Магнитный момент ядра примерно в 1000 раз меньше электронных моментов.

В магнитном поле на магнитный диполь действует вращающий момент, равный векторному произведению: , вектор прецессирует вокруг направления с частотой . Такая прецессия создает переменный магнитный момент , вращающийся в плоскости, перпендикулярной (рис. а).

- неизменный угол прецессии вектора .

Рисунок а

Поле , вращающееся в той же плоскости с частотой , взаимодействует с магнитным моментом . Взаимодействие становится заметным, если частота близка к частоте , т.е. частота поля близка к частоте прецессии , а направление вращения и поля одинаковы. При наступает резонанс, если даже под действием очень слабого поля проекция магнитного момента диполя на изменяется по величине. Согласно квантовой модели состояние ядерного спина и магнитного момента в поле квантованы, т.е. компонента спина вдоль поля может принимать одно из целочисленных значений и условие:

определяет систему из равноотстоящих уровней энергии, обусловленных взаимодействием ядерного магнитного момента с постоянным магнитным полем (Рис б.).

Рисунок б.

ЯМР возникает в следствие квантования переходов ядер, индуцируемых полем с нижних энергетических уровней на вышележащие. Переходы сопровождаются поглощением электромагнитной энергии. Поле может быть линейнополяризованным. Его можно разложить на 2 противоположно поляризованных по кругу поля, одно из которых и будет возбуждать ЯМР. Частота переходов должна удовлетворять условию:

,

где - разность магнитных квантованных чисел уровней.

Интенсивный ЯМР наблюдается при .

ЯМР наблюдается с помощью радиоспектроскопов (рисунок в).

Рисунок в.

1. – катушка с исследуемым образцом.

2. – полоса магнита.

3. – ВЧ генератора.

4. – усилитель и детектор.

5. – генератор модулирующего напряжения .

6. – катушка модуляции поля .

Образец исследуемого вещества помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поля ), расположенного в зазоре магнита, создающего поле так, что . При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему которого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа. Поле моделируется так, что оно меняется на несколько эрстед с частотой от 50Гц до 1КГц. Этой же частотой осуществляется горизонтальная развертка осциллографа. На экране виден повторенный дважды сигнал поглощения.

ЯМР как метод исследования ядер, атомов и молекул получил многообразное применение в физике, химии, биологии и технике. Исследованы механические, электрические и магнитные свойства многих ядер. Определены с высокой точностью некоторые физические константы. Получены данные о свойствах веществ в жидком и кристаллическом состоянии, о состоянии молекул, металлов, поведении веществ в живых организмах и прочее. На основе ЯМР разработаны способы измерения напряженности магнитных полей, методы контроля хода химических реакций и др.