Я́ДЕРНЫЙ МАГНИ́ТНЫЙ РЕЗОНА́НС

Я́ДЕРНЫЙ МАГНИ́ТНЫЙ РЕЗОНА́НС (ЯМР), ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние элек­тро­маг­нит­ной энер­гии па­ра­маг­нит­ной сис­те­мой атом­ных ядер, на­хо­дя­щих­ся в по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле. ЯМР открыт Э. Пёр­сел­лом совм. с дру­ги­ми (1945) и не­за­ви­си­мо Ф. Бло­хом (1946). На­блю­да­ет­ся в силь­ном по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле на­пря­жён­но­сти Н₀ при од­но­вре­мен­ном воз­дей­ст­вии на об­ра­зец сла­бо­го ра­дио­час­тот­но­го по­ля, на­пря­жён­ность ко­то­ро­го H₁ пер­пен­ди­ку­ляр­на H₀. ЯМР обу­слов­лен на­ли­чи­ем у ядер спи­на I и свя­зан­но­го с ним маг­нит­но­го мо­мен­та μ=g_яβI, где g_я – ядер­ный фак­тор спек­тро­ско­пич. рас­ще­п­ле­ния, имею­щий разл. зна­че­ния для разл. ядер; β – ядер­ный маг­не­тон. На­ли­чие у ядер маг­нит­ных мо­мен­тов обу­слов­ли­ва­ет их па­ра­маг­нит­ное по­ве­де­ние в по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле.

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии, в маг­нит­ном по­ле H₀ со­стоя­ния ядер­но­го спи­на кван­то­ва­ны, т. е. его про­ек­ции m_I на на­прав­ле­ние внеш­не­го по­ля дис­крет­ны и мо­гут при­ни­мать толь­ко од­но из зна­че­ний +I, +I-1, …, -I (в слу­чае яд­ра во­до­ро­да, имею­ще­го спин ¹/₂, воз­мож­ны толь­ко 2 про­ек­ции – по по­лю и про­тив по­ля (m_I=¹/₂ и m_I=–¹/₂). В про­стей­шем слу­чае изо­ли­ро­ван­ных не­взаи­мо­дей­ст­вую­щих ядер ре­ше­ние урав­не­ния для пол­ной энер­гии взаи­мо­дей­ст­вия их маг­нит­ных мо­мен­тов с по­лем H₀ да­ёт сис­те­му 2I+1 эк­ви­ди­стант­ных энер­ге­тич. уров­ней c энер­ги­ей ℰ=Dg_яβH₀m_I. Рас­стоя­ние ме­ж­ду уров­ня­ми Δm_I=1, и то­гда Δℰ=g_яβH₀.

Пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле мо­жет вы­звать пе­ре­хо­ды ме­ж­ду эти­ми уров­ня­ми, ес­ли его час­то­та ν₀ удов­ле­тво­ря­ет ус­ло­вию ре­зо­нан­са: ΔЕ=hν₀. При те­п­ло­вом рав­но­ве­сии на ниж­нем уров­не Е₁ (ори­ен­та­ция маг­нит­ных мо­мен­тов по по­лю) на­хо­дит­ся боль­шее ко­ли­че­ст­во ядер, чем на верх­нем уров­не E₂ (ори­ен­та­ция маг­нит­ных мо­мен­тов про­тив по­ля). Со­от­но­ше­ние на­се­лён­но­стей ниж­не­го N₁ и верх­не­го N₂ уров­ней опи­сы­ва­ет­ся Больц­ма­на рас­пре­де­ле­ни­ем: N₂/N₁= exp(-Δℰ/kT)=exp(-g_яβH₀/kT), где Δℰ=ℰ₂-ℰ₁, k – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, T – аб­со­лют­ная темп-ра. При не­пре­рыв­ном воз­дей­ст­вии ре­зо­нанс­ным ра­дио­час­тот­ным из­лу­че­ни­ем час­то­ты ν₀ бу­дет про­ис­хо­дить его по­гло­ще­ние и пе­ре­ход ядер из ниж­не­го со­стоя­ния ℰ₁ в верх­нее ℰ₂, ве­ли­чи­ны N₁ и N₂ мо­гут вы­рав­нять­ся, по­сле че­го ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние мо­жет пре­кра­тить­ся (на­сту­пит на­сы­ще­ние). Ка­ж­дый атом ха­рак­те­ри­зу­ет­ся оп­ре­де­лён­ной ре­зо­нанс­ной час­то­той; напр., в маг­нит­ном по­ле H₀=1 Тл час­то­ты ν₀ ядер ато­мов ле­жат в пре­де­лах от 42,377 МГц (во­дород) до де­сят­ков и еди­ниц МГц. Это по­зво­ля­ет с по­мо­щью ЯМР оп­ре­де­лять на­ли­чие и ко­ли­че­ст­во не толь­ко ато­мов кон­крет­ных хи­мич. эле­мен­тов в ве­ще­ст­ве, но и их изо­то­пов.

На яв­ле­нии ЯМР ос­но­ва­на ЯМР-спек­тро­ско­пия. Спек­тры ЯМР ре­ги­ст­ри­ру­ют с по­мо­щью ЯМР-спек­тро­мет­ров. Об­ра­зец ис­сле­дуе­мо­го ве­ще­ст­ва по­ме­ща­ют в ка­туш­ку ге­не­ри­рую­ще­го кон­ту­ра (в по­ле на­пря­жён­но­сти H₁), рас­по­ло­жен­но­го в за­зо­ре маг­ни­та, соз­даю­ще­го по­ле на­пря­жён­но­сти H₀ (H₁⊥H₀). При ν=ν₀ на­сту­па­ет ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние, что вы­зы­ва­ет па­де­ние на­пря­же­ния в кон­ту­ре, в схе­му ко­то­ро­го вклю­че­на ка­туш­ка с об­раз­цом. Па­де­ние на­пря­же­ния де­тек­ти­ру­ет­ся, уси­ли­ва­ет­ся и по­да­ёт­ся на ре­ги­ст­ри­рую­щее уст­рой­ст­во. В совр. ра­дио­спек­тро­мет­рах ЯМР обыч­но ис­поль­зу­ют маг­нит­ные по­ля на­пря­жён­но­стью 1–12 Тл.

Об­ласть спек­тра, в ко­то­рой на­хо­дит­ся де­тек­ти­руе­мый сиг­нал с од­ним или не­сколь­ки­ми мак­си­му­ма­ми, на­зы­ва­ют ли­ни­ей по­гло­ще­ния ЯМР. Ши­ри­на на­блю­дае­мой ли­нии, из­ме­рен­ная на по­ло­ви­не макс. ин­тен­сив­но­сти и вы­ра­жен­ная в Гц, на­зы­ва­ет­ся ши­ри­ной ли­нии ЯМР. Раз­ре­ше­ние спек­тра ЯМР – ми­ним. ши­ри­на ли­нии ЯМР, ко­то­рую по­зво­ля­ет на­блю­дать дан­ный спек­тро­метр.

По­гло­щён­ную энер­гию сис­те­ма атом­ных ядер пе­ре­рас­пре­де­ля­ет внут­ри се­бя (т. н. спин-спи­но­вая, или по­пе­реч­ная, ре­лак­са­ция; ха­рак­те­ри­стич. вре­мя ре­лак­са­ции Т₂) и от­да­ёт в ок­ру­жаю­щую сре­ду (спин-ре­шё­точ­ная ре­лак­са­ция, вре­мя ре­лак­са­ции Т₁). Вре­ме­на ре­лак­са­ции не­сут ин­фор­ма­цию о межъ­я­дер­ных рас­стоя­ни­ях и вре­ме­нах кор­ре­ля­ции разл. мо­ле­ку­ляр­ных дви­же­ний. Из­ме­ре­ния за­ви­си­мо­сти Т₁ и Т₂ от темп-ры и час­то­ты ν₀ да­ют ин­фор­ма­цию о ха­рак­те­ре те­п­лово­го дви­же­ния, хи­мич. рав­но­ве­си­ях, фа­зо­вых пе­ре­хо­дах и др.

Осн. па­ра­метр спек­тра ЯМР – хи­ми­че­ский сдвиг час­то­ты, воз­ни­каю­щий вслед­ст­вие то­го, что элек­трон­ные обо­лоч­ки ато­мов час­тич­но эк­ра­ни­ру­ют маг­нит­ные мо­мен­ты ядер, и ν₀ сво­бод­но­го ато­ма от­ли­ча­ет­ся от ν₀ ато­ма в жид­ко­сти или в твёр­дом те­ле. Он не­сёт ин­фор­ма­цию не толь­ко о ха­рак­те­ре меж­атом­ных свя­зей, но и о ко­ли­че­ст­ве и сим­мет­рии рас­по­ло­же­ния со­сед­них ато­мов. В ме­тал­лах или силь­но­ле­ги­ро­ван­ных по­лу­про­вод­ни­ках сво­бод­ные элек­тро­ны соз­да­ют в мес­те рас­по­ло­же­ния яд­ра до­пол­нит. по­ле, при­во­дя­щее к т. н. сдви­гу Най­та ре­зо­нанс­ной час­то­ты. Хи­мич. сдвиг мень­ше сдви­га Най­та, а его знак про­ти­во­по­ло­жен.

ЯМР-спек­тро­ско­пия – не­раз­ру­шаю­щий ме­тод ана­ли­за – один из осн. фи­зико-хи­мич. ме­то­дов ана­ли­за ве­ще­ст­ва. Осн. об­ласть при­ме­не­ния – ор­га­нич. хи­мия, ана­лиз разл. хи­мич. про­цес­сов с уча­сти­ем па­ра­маг­нит­ных ядер, пре­ж­де все­го во­до­ро­да (да­ёт ин­фор­ма­цию о кон­фор­ма­ци­он­ных рав­но­ве­си­ях, во­до­род­ных свя­зях и ас­со­циа­ции в жид­ко­стях, металлo- и про­то­тро­пии, упо­ря­до­чен­но­сти и рас­пре­де­ле­нии звень­ев в по­ли­мер­ных це­пях, ад­сорб­ции ве­ществ и др.). Чис­ло и по­ло­же­ние ли­ний в спек­трах ЯМР од­но­знач­но ха­рак­те­ри­зу­ют все фрак­ции сы­рой неф­ти, син­те­тич. кау­чу­ков, пла­ст­масс, слан­цев, уг­лей, про­дук­ции хи­мич. и фар­ма­цев­тич. пром-сти. ЯМР-спек­тро­ско­пия да­ёт ин­фор­ма­цию о струк­ту­ре био­по­ли­ме­ров (в т. ч. бел­ко­вых мо­ле­кул в рас­тво­рах), со­пос­та­ви­мую по дос­то­вер­но­сти с дан­ны­ми рент­ге­нов­ско­го струк­тур­но­го ана­ли­за.

ЯМР ис­поль­зу­ют для изу­че­ния жид­ких кри­стал­лов, диф­фу­зии ато­мов и мо­ле­кул в твёр­дых те­лах, элек­трон­ной струк­ту­ры ион­ных кри­стал­лов, а так­же для ис­сле­до­ва­ния раз­но­об­раз­ных про­цес­сов в аморф­ных ве­ще­ст­вах и мо­но­кри­стал­лах. На ЯМР ос­но­ва­на маг­нит­но-ре­зо­нанс­ная то­мо­гра­фия.