Я́ДЕРНЫЙ МАГНИ́ТНЫЙ РЕЗОНА́НС
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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=gяβI, где gя – 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 mI 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 (mI=1/2 и mI=–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=DgяβH0mI. Расстояние между уровнями ΔmI=1, и тогда Δℰ=gяβH0.
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(-gяβH0/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.