28. Ядерный магнитный резонанс

Резонансное поглощение ЭМ энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.Открыто И. Раби.В основе явления ЯМР лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином, кратные ½. Ядра с чётным массовым и зарядовым числами не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от 0.

Угловой момент: магнитный момент: .

Рассмотрим явление ЯМР а примере простейшего ядра водорода. Ядро водорода – протон, имеющее определённое значение собственного механического момента количества движения (спина). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протока может иметь только два взаимно противоположных направления в пространств, условно обозначаемых словами «вверх» и «вниз». Протон имеет также и магнитный момент, направление вектора которого жёстко привязано к направлению вектора спина. Поэтому и вектор магнитного момента протона может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Таким образом, протон можно представить как микроскопический магнитик двоякой возможной ориентацией в пространстве. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, то энергия протона в этом поле будет зависеть от того, куда направлен его магнитный момент.

Энергия протона будет больше в том случае, если его магнитный момент (и спин) направлен в сторону, противоположную полю. Эту энергию обозначим . Если магнитный момент (спин) протона направлен в ту же сторону, что и поле, то энергия протона, обозначаемая будет меньше ( )/ Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию , то он сможет скачком перейти в состоянии с большей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, «облучая» его квантами электромагнитных волн с частотой, определяемых соотношением .

Перейдём от отдельного протона к макроскопическому образцу водорода, содержащему большое число протонов. Ситуация будет выглядеть так:В образце из-за усреднения случайных ориентаций спинов примерно равные количества протонов при наложении постоянно внешнего магнитного поля окажутся относительно этого поля со спинами, направленными «вверх» и «вниз». Облучение образца электромагнитными волнами с частотой , вызовет «массовый» переворот спинов (магнитных моментов) протонов, в результате которого все протоны образца окажутся в состоянии со спинами, направленными против поля. Такое массовое изменение ориентации протонов будет сопровождаться резким (резонансным) поглощением квантов (и энергии) облучающего эм поля. Это и есть ЯМР. ЯМР можно наблюдать лишь в образцах с большим числом ядер (>10¹⁶), использую специальные методики и высокочувствительные приборы.Основные достоинства ЯМР:

1. Высокая разрешающая способность – на 10 порядков больше, чем у оптической спектроскопии.

2. Возможность вести количественный учёт резонирующих ядер – возможность количественного анализа.

3. Спектры ЯМР зависят от характера процессов в веществе: временная шкала в очень широких пределах – от многих часов до малых долей секунды.

4. Современная радиоэлектронная аппаратура и ЭВМ позволяет получать параметры, характеризующие в удобной для исследователей и потребителей метода ЯМР форме.