Ядерный магнітний резонанс (ЯМР)

Ядерный магнітний резонанс (ЯМР)

Виктор Лаврус Явление магнітного резонансу використовується щоб виявити й вимірювання електричних і магнітних взаємодій електронів плодів та овочів в макроскопічних кількостях речовини. Це зумовлено парамагнитной орієнтацією електронного і ядерного струмів зовнішнім полем та його ларморовской прецесією щодо напрями зовнішнього поля. Частота ларморовской прецесії пропорційна напруженості магнітного поля, докладеної у сфері перебування прецессирующего електрона чи ядра. Коли сусідні частки дають внесок у локальне магнітне полі, він вимірюється по зрушенню частоти прецесії. Додатковий зрушення частоти прецесії може відбутися також рахунок неоднорідних електричних полів, створюваних сусідніми частицами.

Ларморовская прецессия

Эксперименты, в яких простежується відгук атомів на магнітне полі, дають ключову інформацію про атомної механіці. Ларморовская прецесія атомів та інших частинок в магнітному полі у тому, що таке середній магнітний момент атомів періодично змінює напрям. Опис цього зміни служить прототипом описи нестаціонарних станів атомних систем. Вивчаючи нестационарные стану, ми простежуємо розвиток атомних явищ у часі, тоді як із вивченні стаціонарних станів ми зосереджуємося на властивості, залишених неизменными.

Механическим аналогом Ларморовской прецесії служить обертався волчок.

.

Рис. 1. Прецесія обертового дзиги. J — момент імпульсу, Р — тяжкість, R — реакція опори, М — поводить момент.

Действие обертаючого моменту, наприклад на атом газу, призводить до гироскопическому ефекту, у якому інерція атома проявляється як момент імпульсу. Інакше кажучи, вплив зовнішнього постійного магнітного поля B на атомний контур із течією аналогічно впливу сили тяжкості на обертався дзига і описується аналогічним рівнянням. Поводить момент М дзиги прагне опустити його центр мас, повертаючи вісь щодо точки опори. Що стосується атома з кільцевим струмом поводить момент М, визначається рівністю M=[?· B], прагне повернути атом навколо його центру мас. У обох випадках вплив обертаючого моменту змінює момент імпульсу J, обумовлений обертанням дзиги чи циркуляцією носіїв струму в атомі. Рівняння руху має вид:

M = dJ/dt.

Векторная добавка dJ/dt до миттєвому значенням моменту імпульсу J викликає прецесію його напрями щодо осі, вертикальної у разі дзиги і паралельної вектору індукції зовнішнього магнітного поля B у разі атома. У результаті прецесії кут між J і віссю прецесії постійний. Кутова швидкість прецесії зазвичай описується вектором ?, паралельним цієї оси:

dJ/dt = [?· J].

Таким чином, бачимо, що атоми можуть прецессировать навколо напрями докладеної зовнішнього магнітного поля.

Схема установки

Схема експериментальної установки зображено на рис. 2.

.

Рис. 2. Схематичне зображення установки для експерименту по магнітному резонансу. Резонанс буває у радіочастотному діапазоні. Котушка (чи резонатор (б) приєднуються до джерел змінного поля і измерителям втрати мощности.

Исследуемый зразок поміщається всередину радиочастотной котушки чи мікрохвильового резонатора, розташованих між полюсами магніту. Вкрай висока точність настройки встановлення і її чутливість щодо поглощаемой потужності - головне перевагу методу магнітного резонансу. У стандартної експериментальної методиці частота коливань? поперечного поля підтримується постійної і резонанс досягається з допомогою зміни напруженості поля B0, що призводить до повільному зміни частоти прецесії ?B0. На екрані осцилографа у своїй можна спостерігати компоненту M, коливну або у протифазі із керуючим поперечним полем В1cos? t (тобто. поглощаемую потужність), або у фазі з нею (рис.3).

.

Рис. 3. Сигнали магнітного резонансу протона в рідкому водні а) Втрата потужності, б) Компонента М, яка перебуває у фазі з поперечним полем.

Методика измерения Магнитный резонанс можна бачити в зміни магнітного моменту M зразка речовини, вміщеного у зовнішнє полі. Вектор M дорівнює сумі середніх моментів всіх атомних систем, складових даний зразок, зазвичай спостережувані зміни вектора M обумовлені прецесією моментів окремих складових, наприклад ядер атомів водорода.

Средний магнітний момент атомної системи, що виникає внаслідок парамагнитной орієнтації, зазвичай параллелен локального полю B0, яку ми вважаємо постійним. Отже, якщо момент не збочує з напрями B0 будь-яким возмущающим полем, він не прецессирует навколо B0. При відхиленні моменту виникає прецесія із частотою? B0, гиромагнитное ставлення? передбачається відомим з деяких інших експериментів. Відхилення відбувається за накладення змінного поперечного поля напруженості B1cos? t, якщо? збігаються з частотою прецесії ?B0. Такий збіг частот і відданість забезпечує виникнення магнітного резонансу. Поява прецесії спостерігається найчастіше із недружнього поглинання енергії змінного поперечного поля. Експерименти по магнітному резонансу дозволяють знайти розподіл поля була в речовині у місцях розташування струмів, котрим спостерігається цей резонанс. Наприклад, в типовому експерименті з виявлення резонансу спиновых струмів в органічних речовинах визначаються напруженості магнітного поля була в місцях перебування різних атомів водню. Якщо напруженості Bi, поля була в різних точках зразка однакові, резонанс спостерігається в одній частоті, яка дорівнює? при Bi=B0 і від неї постійну величину інакше. Зміна величини внутрішнього поля від точки до точки призводить до виникнення резонансу різними частотах.

Список литературы

Фано У., Фано Л. Фізика атомів і молекул. Пер. з анг. / Під ред. Л. И. Пономарьова. — М.: Наука, 1980.

Физика мікросвіту. Маленька енциклопедія. [Гол. ред. Д.В. Ширков]. — М.: «Рад. енциклопедія», 1980.