7.3. Електронний парамагнітний резонанс,

ЯДЕРНИЙ МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС ТА ЇХ МЕДИКО-БІОЛОГІЧНІ ЗАСТОСУВАННЯ

Нині поряд з традиційними методами оптичної спектроскопії, у біології та медицині стали широко вико­ристовуватись методи магнітної спектроскопії, які дають змогу одержувати цінну інформацію про будову органічних молекул, природу міжмолекулярних взаємодій, характер молекулярних рухів. В основі цих методів лежить один і той самий принцип - поглинання енергії системою парамагніт­них частинок при індукованих високочастотним електро­магнітним випромінюванням переходах між енергетичними рівнями, на які розщеплюються рівні енергії системи у зовнішньому магнітному полі.

7.3.1. Метод електронного парамагнітного резонансу

Явище електронного парамагнітного резонансу(ЕПР) було відкрите радянським фізиком Е. К. Завойським у 1944 році. З того часу цей метод швидко розвинувся і нині став незамінним при вивченні структури вільних органічних та неорганічних радикалів.

Розглянемо систему парамагнітних частинок, парамаг­нетизм яких зумовлений наявністю неспареного електрона (вільні радикали, іони змінної валентності). Парамагнетизм таких частинок має, як правило, спіновий характер, тобто зумовлений наявністю нескомпенсованого спінового маг­нітного моменту електрона, який можна записати у вигляді:

(7.16)

де — спінове квантове число (для електронатак званий "жи-фактор" (це є безрозмірна величина, яка у разі чисто "спінового магнетизму", тобто для вільного електрона, становить- магнетон Бора.

При відсутності зовнішнього магнітного поля систему таких парамагнітних частинок можна охарактеризувати деякою середньою енергієюУ зовнішньому магнітному полі енергія парамагнітної частинки змінюється і стає рівною

(7.17)

де - додаткова енергія, зумовлена взаємодією магніт­ного моменту частинки з зовнішнім магнітним полем. Ця енергія пропорційна індукції магнітного поляі проекції магнітного моментуна напрямок поля:

(7.18)

Проекція спінового магнітного моменту на напрямок зовнішнього магнітного поля може набувати значень, що визначаються формулою

(7.19)

де - магнітне спінове число електронаЗнаку формулі (7.19) відтворює той факт, що спінові механічний та магнітний моменти спрямовані в протилежні боки.

(7.20)

Таким чином, система ізоенергетичних частинок з енергією у зовнішньому магнітному полі розпадається на дві підсистеми з енергіями Е1 і Е2 відповідно до двох можливих орієнтацій їх магнітних моментів відносно зовнішнього магнітного поля (рис. 7.5).

Між рівнями можливі переходи, тобто парамагнітні частинки можуть змінювати орієнтацію свого магніт­ного моменту. Однак ймовірність спонтанних, самодовільних переходів частинок між рівнямидуже незначна.

Такі переходи можна викликати (індукувати) опроміненням системи високочастотним електромагнітним полем (НВЧ-випромінюванням) за умови, що квант НВЧ-випромінювання задовольняє умові

Заселеність енергетичних рівнів підлягає розподілу Больцмана, згідно з яким примаємозаселеності рівнівтаУ цьому випадку кількість переходів з поглинанням енергіїбуде пеоеважати кількість переходів з випромінюванням енергіїВ результаті за умови

(7.21)

буде спостерігатись резонансне поглинання енергії високо­частотного електромагнітного поля (НВЧ-випромінювання).

Рис. 7.5. Розщеплення енергетичного рівня парамагнітних частинок.

Для спостереження сигналу поглинання використо­вуються спеціальні прилади - магнітні радіоспектрометри.

Відповідно до (7.21), умову резонансу можна здійснити двома способами:

а) при постійному магнітному полі варі­юється частота

б) при незмінній частоті варіюється індукція магнітного поля