5.1.1. Магнитный момент ядра и его взаимодействие

с магнитным полем

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, обладающих спином m_I=½, и может также иметь отличный от нуля результирующий спин I (суммарный), т.е. угловой момент количества движения, характеризуемый вектором P=(h/2)I. Отсутствие или наличие спина ядра и его значение определяются числом протонов и нейтронов, т.е. связаны с такими характеристиками ядра, как его заряд (порядковый номер элемента), равный сумме зарядов протонов, и массовое число (сумма масс протонов и нейтронов). Ядро действует как крошечный магнит с магнитным моментом µ.

Ядра с четными числами протонов не имеют спина. Для них I=0 и магнитный момент также равен нулю. Именно поэтому, ядра с четным массовым числом и четным атомным номером не будут обладать магнитными свойствами и не дают сигналов ЯМР. Ядра с нечетным массовым числом имеют отличный от нуля спин. Магнитными свойствами всегда обладают ядра с массой, выражаемой нечетным числом: ¹Н, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁷О, ¹⁹Р, ³¹Р и т. д..(ядра, имеющие полуцелочисленный спин I = ¹/₂, ³/₂, ⁵/₂ ). Спектры ЯМР этих атомов получили большое распространение в органической химии (это атомы с ненулевыми ядерными магнитными моментами).

Широко используется для исследования органических соединений ядро углерода ¹³C, однако чувствительность метода ЯМР в этом случае невысока, т.к. содержание изотопа ¹³С в природном углероде составляет лишь 1,1%. Поэтому для записи спектра ¹³С необходимо проводить накопление сигнала, что требует дополнительного времени.

Также магнитными свойствами обладают ядра с атомной массой, выражаемой четным числом, но с нечетным атомным номером: ²Н, ¹⁰В, ¹⁴N и т.д. (ядро обладает целочисленным спином: I=1, 2, 3).

Магнитный момент и спин ядра взаимосвязаны:

µ= γ P = γ (h/2π ) I (2),

где µ - магнитный момент, Р - угловой момент, который в свою очередь обусловливает появление у этого ядра магнитного момента µ, I- ядерный спин, γ - константа пропорциональности или гиромагнитное отношение. Гиромагнитное отношение γ есть основная постоянная, характерная для любого ядра с ненулевой величиной I.

5.2. Условие резонанса

Изменение энергии между двумя уровнями зависит от величины магнитного момента ядра, напряженности приложенного магнитного поля и определяется следующей формулой:

ΔE=2μH₀= γ(h/2π)H₀ (3),

Энергия поглощения или выделения в виде кванта электромагнитного излучения равна hν , и тогда:

 = (γ /2π) H_0. (4)

Таким образом, для явления ядерного магнитного резонанса необходимо воздействовать на ядро постоянным магнитным полем напряженностью Н₀ и переменным электромагнитным полем с частотой, удовлетворяющей условию резонанса по формуле (4). Частота излучения точно соответствует энергетической щели. В случае отсутствия магнитного поля уровни энергий сливаются и резонанса не наблюдается.

Спектральная линия ядерного магнитного резонанса соответствует переходу, который обозначен на рис. 5.2, а частота  по уравнению (4) изменяется в зависимости от величины поля Н₀, использованного в эксперименте. Зависимость поглощенной энергии от частоты и представляет собой ЯМР-спектр.