Резонансні методи квантової механіки. Ефект Зеємана.

У результаті дії радіації на біологічні об'єкти в ході біохімічних реакцій утворюються вільні радикали. Вільні радикали є прикладом парамагнітних часток, які мають неспарені електрони. Неспарені електрони відіграють відповідно велику активність. Сполуки, що мають неспарені електрони, є проміжними продуктами ферментативних реакцій, виступають в якості різних метаболітів, входять до складу біологічно важливих молекул.

Для вивчення структури парамагнітних часток та кінетики процесів за їх участю використовують метод електронного парамагнітного резонансу.

Неспареним електронам властивий магнітний момент, зумовлений тим, що рух електрона, як зарядженої частки, являє собою струм.

Рухові електрона по орбіталі відповідає орбітальний магнітний момент, а спіновому рухові — електронно-спіновий магнітний момент.

Відбувається розщеплення енергії неспарених електронів у зовнішньому постійному магнітному полі (ефект Зеємана).

Електронний парамагнітний резонанс.

Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) — це фізичне явище, основною ознакою якого є поглинання електромагнітних хвиль речовиною поміщеною у зовнішнє магнітне поле.

Коли атом з магнітним моментом, відмінним від 0, помістити у магнітне поле, то кожен енергетичний рівень цього атома розщеплюється. Це зумовлено взаємодією магнітного момен­ту електрона з постійним магнітним полем. Відстань між підрівнями визнача­ється:

Нехай атом перебуває у постійному магнітному полі з індукцією В і з ним взаємодіє електромагнітна хвиля з частотою ν; причому виконується умова:

За рахунок енергії падаючої хвилі можуть відбуватись переходи між сусідніми підрівнями. Це явище називається електронним парамагнітним резонансом. Носіями магнітного моменту є електрони. Резонансний характер цього явища пояснюється чітко визначеною довжиною падаючої хвилі. При індукції В=10³ мТл резонансна частота рівна 10¹¹с^-1, що відповідає довжині хвилі λ =3 см. Отже, резонансні частоти знаходяться в радіодіапазоні.

Під впливом електромагнітної хвилі атоми з однаковою ймовірністю можуть переходити у вищий енергетичний стан або нижчий. У першому випадку енергія поглинається, а у другому — випромінюється. Якщо парамагнетик перебуває у стані термодинамічної рівноваги, то на нижньому рівні завжди знаходиться більше неспарених електронів, ніж на верхньому (розподіл Больцмана);

де Ν₁—кількість електронів на верхньому рівні. Ν₂ — кількість електронів на нижньому рівні.

Співвідношення між Ν₁ і Ν₂ визначає значення поглинутої енергії. Чим менше Ν₁/Ν₂, тим більше енергії поглинається. Отже, електронний парамагнітний резонанс—це вибіркове поглинання енергії радіочастотного поля в парамагнітних речовинах, які знаходяться у постійному магнітному полі. Для дослідження методом електронного парамагнітного резонансу використовують ЯМР-спектрометр.

Він складається з генератора електромагнітних хвиль (Г), хвилеводів (хв), об'ємного резонатора (ор) (провідні стінки), розмішеного між полюсами магніту, приймача (Пр) та реєструючого пристрою (РП). Приймач настроюють на частоту генератора, а зразок (зр) поміщають у резонатор. Плавно змінюючи магнітне поле, підбирають таку індукцію В, за якої виконується умова резонансу:

При цьому зразок інтенсивно поглинає енергію. Сигнал, зафіксований під час поглинання. Зафіксована смуга поглинання характеризується такими параметрами; інтегральною інтенсивністю, півшириною лінії та g-фактором.

Інтегральна інтенсивність характеризує концентрацію неспареннх електронів у зразку. Це дає змогу визначати, наприклад, концентрацію вільних радикалів у живих тканинах, на які діє радіація, а також досліджувати молекулярні механізми ферментативного каталізу на різних стадіях ферментативних реакцій.

Півширина смуги дає змогу визначити розщеплення енергетичних рівнів. Розширення резонансної смуги може бути зумовлено спін-спіновою та спін-гратковою взаємодіями. Характеристиками цієї взаємодії є час релаксації (Т_{спін-спінова}, Т_{спін-граткова}). Розширення резонансної смуги, зумовлене спін-спіновою взаємодією, пропорційне відстані між парамагнітними частками, тому можна за півшириною смуги виявити розміщення парамагнітних центрів у зразку, а також структуру парамагнітних молекул. Чим менший час спін-граткової взаємодії, тим більша ширина смуги (лінія 1).

У випадку постійної частоти значення В_рез залежить від g -фактора. Якщо g-фактор зразка, близький до g-фактора вільного електрона (g =2,0023), то неспарені електрони парамагнітної молекули поводять себе як вільні. Якщо g-фактор для зразка менший від 2,0023, то електрон взаємодіє з одним із атомом парамагнітної молекули. Таким чином, визначаючи g-фактор, можна отримати інформацію про внутрішньо-молекулярні зв'язки.