2. Скласти кросворд з теми: «Фотоефект та його застосування».

Тема: Резонансні методи квантової механіки.

ЯМР-діагностика.

І. Актуальність теми.

Внаслідок впливу фізичних чинників на біологічні об’єкти виникають біохімічні реакції, в результаті яких утворюються вільні радикали. Ці радикали є прикладом парамагнітних частинок, які мають неспарені електрони. Неспарені електрони відіграють важливу роль у хімічних та біологічних системах, оскільки характеризується великою хімічною активністю. Сполуки, що мають неспарені електрони, є проміжними продуктами ферментативних реакцій, виступають як метаболіти, входять до складу біологічно важливих молекул.

Для вивчення структури парамагнітних часток та кінетики процесів за їх участю використовують електронний парамагнітний резонанс.

ІІ. Навчальні цілі.

В результаті самостійної роботи студент повинен знати:

• пояснити ефект Зеємана;

• охарактеризувати умови, за яких може відбуватись електронний парамагнітний резонанс (ЕПР);

• пояснити методику використання ЕПР в медицині та біології;

• називати умови, за яких виникає ядерний магнітний резонанс (ЯМР);

• пояснити методику використання ЯМР в медичній науці та практиці.

ІІІ. Матеріали до аудиторної самостійної роботи:

3.1. Основні базові знання, вміння, навички, необхідні для вивчення теми (Міждисциплінарна інтеграція).

№ п/п	Дисципліна	Знати	Вміти
	Фізика	Характеристика електричного та магнітного поля. Природу електро-магнітних полів. Явище резонансу.	Пояснити взаємозв’язок між електричним та магнітним полем, природу виникнення.
	Біологія	Вплив електричного та магнітного полів на біологічні тканини. Існування біопотенціалів.	Пояснити процеси впливу електромагнітних випромінювань на живу біологічну тканину.
	Математика	Характеристику векторних величин, дії над векторами.	Виконувати дії над векторами, знаходити проекції векторів.

3.2. Зміст теми:

Внаслідок впливу фізичних чинників на біологічні об'єкти виникають біохімічні реакції, в результаті яких утворюються вільні радикали. Ці радикали є прикладом парамагнітних частинок, які мають неспарені електрони. Неспарені електрони відіграють важливу роль у хімічних та біологічних системах, оскільки характеризуються великою хімічною активністю. Сполуки, що мають неспарені електрони, є проміжними продуктами ферментативних реакцій, виступають як метаболіти, входять до складу біологічно важливих молекул.

Для вивчення структури парамагнітних часток та кінетики процесів за їх участю використовують електронний парамагнітний резонанс.

Неспареним електронам властивий магнітний момент, зумовлений тим, що рух електрона, як зарядженої частинки, створює струм.

Рухові електрона по орбіталі відповідає орбітальний магнітний момент, а спіновому рухові власний електронно-спіновий магнітний момент. Магнітний момент електрона пов'язаний з його механічним моментом. Для підтвердження цього розглянемо рух електрона по орбіті з радіусом R. Момент імпульсу орбітального руху електрона дорівнює p = mvR.

Внаслідок руху електрон має орбітальний магнітний момент, подібний до того, який виникає під час проходження струму по контуру. Цей момент дорівнює: μ_m = IS,

де I = -e/T = -ev/2πR; S = nR2/e —елементарний заряд; Т — період обертання; V — швидкість руху електрона по орбіті.

Тоді μ_{m =} ² =

Відношення , а μ_m =

Величина орбітального механічного моменту пов'язана з орбітальним квантовим числом l: p = l[h/2π]. Тоді μ_m = -[eh/4πm] Vl ,

Величина магнітного моменту квантована, оскільки l набуває значення 0, 1,2, ... . Якщо l=1,то μ_m = μ_Б = -[eh/4πm] і називається магнетоном Бора. Магнетон Бора дорівнює 9,27 -КГ21 Дж/м*Тл і є одиницею магнітного моменту.

Власні (спінові) магнітний μ_s і механічний P_s моменти електрона пов'язані між собою співвідношенням : μ_s = P_s(-t/2m) = μ_БS_z

де Sz — магнітне квантове число, рівне ±1/2.

Відношення магнітного моменту до механічного називається гіромагнітним відношенням ( γ ). Для орбітального руху γ = -(e/2m)

Повний магнітний момент електрона дорівнює векторній сумі орбітального й спінового магнітних моментів: μ_j = μ_i = μ_s, а повний механічний момент — векторній сумі орбітального та спінового механічних моментів: P_j = P_i = P_s

Для відношення повних магнітного й механічного моментів електрона вводять коефіцієнт пропорційності g, такий, що: μ_j /P_j = -g(e/2m)

Цей коефіцієнт називається g-фактором і дорівнює одиниці, якщо s = 0 (s — сумарний спіновий момент атома), тобто коли відсутній спіновий рух електрона. Якщо орбітальний момент атома дорівнює нулю ( L = 0 ), то g = 2. Якщо системи мають більш ніж один неспарений електрон, то квантові числа додаються: j = L + s. g-фактор пов'язаний з повним квантовим числом.

Однак орбітальний магнітний момент мало впливає на загальний магнітний момент електрона, тому, розглядаючи метод електронного парамаг­нітного резонансу, беруть до уваги лише спіновий магнітний момент.

Нехай у досліджуваній системі є вільні ра­дикали, що містять неспарені електрони. Якщо зовнішнє магнітне поле відсутнє, то магнітні моменти неспарених електронів орієнтовані хаотично. Внаслідок дії зовнішнього магнітного поля магнітні моменти неспарених електронів орієнтуються певним чином у цьому полі. Енергія взаємодії магнітного моменту неспареного електрона з зовнішнім магнітним полем визначається так: E = pBcosa, де р — модуль сумарного вектора магнітного моменту електрона, який дорівнює векторній сумі орбітального та спінового магнітних моментів електрона; В — модуль вектора магнітної індукції постійного зовнішнього магнітного поля; α — кут між вектором магнітної індукції зовнішнього магнітного поля і сумарним вектором магнітного моменту електрона.

Проекція вектора сумарного магнітного моменту електрона на напрям зовнішнього магнітного поля визначається таким чином: P_z = ±½gh

Із рис. бачимо, що Pz=Pcosα, a E = P_ZB.

Енергія взаємодії магнітного поля з магнітним моментом неспареного електрона квантована і дорівнює: E = ±½-gh -B = ±½gBμ_Б

де μ_Б = he/2m_e

Два значення енергії свідчать про те, що під впливом зовнішнього магнітного поля неспарені електрони діляться на дві групи. Електрони, магнітні моменти яких орієнтуються в напрямі магнітного поля, мають енергію меншу: E_(±½) = -½gBμ_Б і навпаки.

Отже, відбувається розщеплення енергії неспарених електронів у зовнішньому постійному магнітному полі (ефект Зеємана)

Рис. Ефект Зеємана