Rezonanță magnetică

absorbția selectivă de către o substanță a undelor electromagnetice de o anumită lungime de undă, cauzată de o modificare a orientării momentelor magnetice ale electronilor sau nucleelor ​​atomice. Nivelurile de energie ale unei particule care au un moment magnetic (vezi moment magnetic) μ, într-un câmp magnetic extern N sunt împărțite în subniveluri magnetice, fiecare dintre acestea corespunzând unei anumite orientări a momentului magnetic μ în raport cu câmpul N(vezi efectul Zeeman). Câmpul electromagnetic al frecvenței de rezonanță ω determină tranziții cuantice între subnivelurile magnetice. Condiția de rezonanță are forma:

Dacă absorbția energiei electromagnetice este realizată de nuclee, atunci M. r. numită rezonanță magnetică nucleară (Vezi rezonanță magnetică nucleară), RMN. Momentele magnetice ale nucleelor ​​sunt determinate de spinurile lor eu. Numărul subnivelurilor magnetice nucleare este 2 eu+ 1, iar distanțele dintre subnivelurile adiacente sunt aceleași și egale:

În multe cazuri, descrierea clasică a unui câmp magnetic este utilă, bazată pe faptul că o particulă experimentează un moment magnetic μ într-un câmp magnetic extern. N Precesia Larmor (vezi Precesiunea Larmor) despre direcția vectorului N cu frecvenţa ω = γ N. Câmp magnetic alternativ H 1, perpendicular N iar rotirea sincron cu μ, adică cu frecvența ω, are un efect constant asupra momentului magnetic, ceea ce duce la modificarea orientării acestuia în spațiu.

Pentru Domnul. uneori, denumită și rezonanță ciclotronică, observată în metale și semiconductori plasate într-un câmp magnetic constant, este absorbția rezonantă a energiei electromagnetice asociată cu mișcarea periodică a electronilor de conducere (vezi electronul de conducție) și a găurilor (vezi gaura) într-un plan perpendicular. spre câmp N(vezi forța Lorentz, Diamagnetism).

Gama de frecvente M. r. determinată de mărimea raportului magnetomecanic. Pentru un electron liber γ/2π = 2,799×10 6 gc·e -1, pentru un proton γ/2π = 4,257×10 3 gc·e -1, pentru alte nuclee cu spin, γ/2π = 10 2 -10 3 gts·e -1 .În conformitate cu aceasta, în câmpurile magnetice Rezonanța magnetică 10 3 -10 4 uh Frecvențele EPR se încadrează în domeniul microundelor (10 9 -10 11 Hz), și RMN - în domeniul undelor scurte (vezi Unde scurte) (10 6 -10 7 Hz).

Lit.: Slikter Ch., Fundamentele teoriei rezonanței magnetice, traducere din engleză, M., 1967; Abraham A., Nuclear magnetism, traducere din engleză, M., 1963; Altshuler S. A., Kozyrev B. M., Rezonanța paramagnetică electronică, M., 1961.

V. A. Atsarkin.

Împărțirea nivelurilor de energie într-un câmp magnetic extern H 0 în cazul rezonanței magnetice nucleare la I = 3/2.

Marea Enciclopedie Sovietică. - M.: Enciclopedia Sovietică. 1969-1978 .

Vedeți ce este „Rezonanța magnetică” în alte dicționare:

ales absorbția de către o substanță a energiei electrice. mag. unde de o anumită frecvență w, datorită unei modificări a orientării câmpului magnetic. momente ale particulelor de materie (electroni, at. nuclei). Energie nivelurile unei particule având un magnetic momentul m, în ext. mag. câmpul H...... Enciclopedie fizică

ales absorbtia in el. mag. valuri definite frecvența w, datorită unei schimbări a orientării magnetice. momente h c in va (el new, at. nuclei). Energie niveluri de ceai, care are un magnetic momentul m, în ext. mag. câmpul H este împărțit în magnetic... ... Enciclopedie fizică

rezonanță magnetică- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dicționar englez-rus de inginerie electrică și inginerie energetică, Moscova, 1999] Subiecte de inginerie electrică, concepte de bază EN rezonanță magnetică ... Ghidul tehnic al traducătorului

Absorbția rezonantă (selectivă) a radiațiilor de radiofrecvență de către anumite particule atomice plasate într-un câmp magnetic constant. Majoritatea particulelor elementare, cum ar fi vârfurile, se rotesc în jurul propriei axe. Dacă o particulă are... Enciclopedia lui Collier

ales absorbtia energiei electrice mag. radiații cu o anumită frecvență din exterior. mag. camp. Datorită tranzițiilor între magnetice subniveluri ale aceluiași nivel de energie al unui atom, nucleu și alte sisteme cuantice. Naib. exemple importante de astfel de rezonanțe... ... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

rezonanță magnetică- absorbția selectivă de către o substanță a undelor electromagnetice de o anumită frecvență, cauzată de o modificare a orientării momentelor magnetice ale particulelor substanței; Vezi și: rezonanță nucleară magnetică (RMN) ... Dicţionar enciclopedic de metalurgie

rezonanță magnetică- magnetinis rezonansas statusas T sritis chemija apibrėžtis Tam tikro dažnio elektromagnetinių bangų atrankioji sugertis medžiagoje. atitikmenys: engl. rezonanta magnetica rus. rezonanță magnetică... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

- (RMN), absorbția selectivă a energiei electrice. mag. energie în aer, datorită paramagnetismului nuclear. RMN este una dintre metodele de spectroscopie radio, observată atunci când magneții reciproc perpendiculari acționează asupra probei studiate. câmpuri: constantă puternică H0... Enciclopedie fizică

Imaginea unui creier uman pe un tomograf RMN medical Rezonanța magnetică nucleară (RMN) absorbția sau emisia de energie electromagnetică de către o substanță care conține nuclei cu spin diferit de zero într-un câmp magnetic extern, la o frecvență ν ... ... Wikipedia

- (RMN), absorbția selectivă a energiei acustice. vibratii (fononi), datorate reorientarii campului magnetic. momente la. nuclee în televizor corp plasat într-un câmp magnetic constant. camp. Pentru majoritatea nucleelor, absorbția rezonantă este observată în regiunea ultrasonică... ... Enciclopedie fizică

Cărți

• Rezonanța magnetică în chimie și medicină, R. Freeman, Monografia celebrului om de știință în domeniul spectroscopiei RMN R. Freeman combină o examinare vizuală a principiilor de bază ale rezonanței magnetice în chimie și medicină (biologie) cu... Categorie: Fizica Editor:

1. Esența fenomenului

   În primul rând, trebuie remarcat faptul că, deși numele acestui fenomen conține cuvântul „nuclear”, RMN nu are nimic de-a face cu fizica nucleară și nu are nicio legătură cu radioactivitatea. Dacă vorbim despre o descriere strictă, atunci nu există nicio modalitate de a face fără legile mecanicii cuantice. Conform acestor legi, energia de interacțiune a miezului magnetic cu un câmp magnetic extern poate lua doar câteva valori discrete. Dacă nucleele magnetice sunt iradiate cu un câmp magnetic alternativ, a cărui frecvență corespunde diferenței dintre aceste niveluri de energie discrete, exprimate în unități de frecvență, atunci nucleele magnetice încep să se miște de la un nivel la altul, absorbind în același timp energia alternantei. camp. Acesta este fenomenul rezonanței magnetice. Această explicație este corectă din punct de vedere formal, dar nu foarte clară. Există o altă explicație, fără mecanică cuantică. Miezul magnetic poate fi imaginat ca o minge încărcată electric care se rotește în jurul axei sale (deși, strict vorbind, nu este așa). Conform legilor electrodinamicii, rotația unei sarcini duce la apariția unui câmp magnetic, adică momentul magnetic al nucleului, care este îndreptat de-a lungul axei de rotație. Dacă acest moment magnetic este plasat într-un câmp extern constant, atunci vectorul acestui moment începe să preceseze, adică să se rotească în jurul direcției câmpului extern. În același mod, axa vârfului precesează (se rotește) în jurul verticalei dacă nu este deztors strict vertical, ci sub un anumit unghi. În acest caz, rolul câmpului magnetic este jucat de forța gravitației.

   Frecvența de precesiune este determinată atât de proprietățile nucleului, cât și de puterea câmpului magnetic: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât frecvența este mai mare. Apoi, dacă, pe lângă un câmp magnetic extern constant, miezul este afectat de un câmp magnetic alternativ, atunci miezul începe să interacționeze cu acest câmp - pare să balanseze mai puternic miezul, amplitudinea precesiei crește, iar miezul absoarbe energia câmpului alternant. Totuși, acest lucru se va întâmpla numai în condițiile rezonanței, adică a coincidenței frecvenței de precesiune și a frecvenței câmpului alternativ extern. Acesta este similar cu exemplul clasic de la fizica școlii - soldații care mărșăluiesc peste un pod. Dacă frecvența pasului coincide cu frecvența naturală a podului, atunci podul se balansează din ce în ce mai mult. Experimental, acest fenomen se manifestă prin dependența absorbției unui câmp alternativ de frecvența acestuia. În momentul rezonanței, absorbția crește brusc, iar cel mai simplu spectru de rezonanță magnetică arată astfel:

   

2. Spectroscopie cu transformată Fourier

   Primele spectrometre RMN au funcționat exact așa cum este descris mai sus - proba a fost plasată într-un câmp magnetic constant și i s-a aplicat în mod continuu radiația de frecvență radio. Apoi, fie frecvența câmpului alternativ, fie intensitatea câmpului magnetic constant a variat fără probleme. Absorbția energiei câmpului alternativ a fost înregistrată de o punte de frecvență radio, semnalul de la care a fost transmis către un înregistrator sau un osciloscop. Dar această metodă de înregistrare a semnalului nu a fost folosită de mult timp. În spectrometrele moderne RMN, spectrul este înregistrat folosind impulsuri. Momentele magnetice ale nucleelor ​​sunt excitate de un scurt impuls puternic, după care se înregistrează semnalul indus în bobina RF de momentele magnetice care preced liber. Acest semnal scade treptat la zero pe măsură ce momentele magnetice revin la echilibru (acest proces se numește relaxare magnetică). Spectrul RMN este obținut din acest semnal folosind transformata Fourier. Aceasta este o procedură matematică standard care vă permite să descompuneți orice semnal în armonici de frecvență și astfel să obțineți spectrul de frecvență al acestui semnal. Această metodă de înregistrare a spectrului vă permite să reduceți semnificativ nivelul de zgomot și să efectuați experimente mult mai rapid.

   

   Un impuls interesant pentru înregistrarea unui spectru este cel mai simplu experiment RMN. Cu toate acestea, într-un experiment pot exista multe astfel de impulsuri de diferite durate, amplitudini, cu întârzieri diferite între ele etc., în funcție de ce fel de manipulări trebuie să efectueze cercetătorul cu sistemul de momente magnetice nucleare. Cu toate acestea, aproape toate aceste secvențe de impulsuri se termină în același lucru - înregistrarea unui semnal de precesie liberă urmată de o transformată Fourier.

3. Interacțiuni magnetice în materie

   Rezonanța magnetică în sine ar rămâne nimic mai mult decât un fenomen fizic interesant dacă nu ar fi interacțiunile magnetice ale nucleelor ​​între ele și cu învelișul de electroni a moleculei. Aceste interacțiuni afectează parametrii de rezonanță, iar cu ajutorul lor, metoda RMN poate oferi o varietate de informații despre proprietățile moleculelor - orientarea lor, structura spațială (conformația), interacțiunile intermoleculare, schimbul chimic, dinamica rotațională și translațională. Datorită acestui fapt, RMN a devenit un instrument foarte puternic pentru studierea substanțelor la nivel molecular, care este utilizat pe scară largă nu numai în fizică, ci mai ales în chimie și biologie moleculară. Un exemplu de astfel de interacțiune este așa-numita schimbare chimică. Esența sa este următoarea: învelișul de electroni a unei molecule răspunde la un câmp magnetic extern și încearcă să-l ecraneze - ecranizarea parțială a câmpului magnetic are loc în toate substanțele diamagnetice. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic din moleculă va diferi de câmpul magnetic extern printr-o cantitate foarte mică, ceea ce se numește schimbare chimică. Cu toate acestea, proprietățile învelișului de electroni în diferite părți ale moleculei sunt diferite, iar schimbarea chimică este, de asemenea, diferită. În consecință, condițiile de rezonanță pentru nucleele din diferite părți ale moleculei vor diferi și ele. Acest lucru face posibilă distingerea nucleelor ​​neechivalente din punct de vedere chimic în spectru. De exemplu, dacă luăm spectrul nucleelor ​​de hidrogen (protoni) din apă pură, atunci va exista o singură linie, deoarece ambii protoni din molecula de H 2 O sunt exact aceiași. Dar pentru alcoolul metilic CH 3 OH vor exista deja două linii în spectru (dacă neglijăm alte interacțiuni magnetice), deoarece există două tipuri de protoni - protonii grupului metil CH 3 și protonul asociat atomului de oxigen. Pe măsură ce moleculele devin mai complexe, numărul de linii va crește, iar dacă luăm o moleculă atât de mare și complexă ca proteină, atunci în acest caz spectrul va arăta cam așa:

   

4. Miezuri magnetice

   RMN poate fi observată pe diferite nuclee, dar trebuie spus că nu toate nucleele au un moment magnetic. Se întâmplă adesea ca unii izotopi să aibă un moment magnetic, dar alți izotopi ai aceluiași nucleu nu. În total, există mai mult de o sută de izotopi ai diferitelor elemente chimice care au nuclee magnetice, dar în cercetare, de obicei, nu se folosesc mai mult de 1520 de nuclee magnetice, totul este exotic. Fiecare nucleu are propriul său raport caracteristic între câmp magnetic și frecvență de precesiune, numit raport giromagnetic. Pentru toate nucleele aceste relaţii sunt cunoscute. Folosindu-le, puteți selecta frecvența la care, sub un anumit câmp magnetic, va fi observat un semnal din nucleele de care are nevoie cercetătorul.

   Cele mai importante nuclee pentru RMN sunt protonii. Sunt cele mai abundente din natură și au o sensibilitate foarte mare. Nucleii de carbon, azot și oxigen sunt foarte importanți pentru chimie și biologie, dar oamenii de știință nu au avut prea mult noroc cu ei: cei mai comuni izotopi ai carbonului și oxigenului, 12 C și 16 O, nu au un moment magnetic, cel natural. izotopul de azot 14 N are un moment, dar din mai multe motive este foarte incomod pentru experimente. Există izotopi 13 C, 15 N și 17 O care sunt potriviți pentru experimentele RMN, dar abundența lor naturală este foarte scăzută și sensibilitatea lor este foarte scăzută în comparație cu protonii. Prin urmare, probe speciale îmbogățite cu izotopi sunt adesea pregătite pentru studiile RMN, în care izotopul natural al unui anumit nucleu este înlocuit cu cel necesar pentru experimente. În cele mai multe cazuri, această procedură este foarte dificilă și costisitoare, dar uneori este singura oportunitate de a obține informațiile necesare.

5. Rezonanța paramagnetică a electronilor și cvadrupolară

   Vorbind despre RMN, nu putem să nu menționăm alte două fenomene fizice înrudite - rezonanța paramagnetică a electronilor (EPR) și rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR). EPR este în esență similară cu RMN, diferența este că rezonanța se observă la momentele magnetice nu ale nucleelor ​​atomice, ci ale învelișului de electroni a atomului. EPR poate fi observată numai în acele molecule sau grupuri chimice a căror înveliș electronic conține așa-numitul electron nepereche, atunci învelișul are un moment magnetic diferit de zero. Astfel de substanțe se numesc paramagneți. EPR, ca și RMN, este, de asemenea, utilizat pentru a studia diferite proprietăți structurale și dinamice ale substanțelor la nivel molecular, dar domeniul său de utilizare este semnificativ mai restrâns. Acest lucru se datorează în principal faptului că majoritatea moleculelor, în special în natura vie, nu conțin electroni nepereche. În unele cazuri, puteți utiliza o așa-numită sondă paramagnetică, adică o grupare chimică cu un electron nepereche care se leagă de molecula studiată. Dar această abordare are dezavantaje evidente care limitează capacitățile acestei metode. În plus, EPR nu are o rezoluție spectrală atât de mare (adică capacitatea de a distinge o linie de alta în spectru) ca în RMN.

   Este cel mai dificil de explicat natura NQR „pe degete”. Unele nuclee au ceea ce se numește un moment cvadrupol electric. Acest moment caracterizează abaterea distribuției sarcinii electrice a nucleului de la simetria sferică. Interacțiunea acestui moment cu gradientul câmpului electric creat de structura cristalină a substanței duce la scindarea nivelurilor de energie ale nucleului. În acest caz, se poate observa o rezonanță la o frecvență corespunzătoare tranzițiilor dintre aceste niveluri. Spre deosebire de RMN și EPR, NQR nu necesită un câmp magnetic extern, deoarece divizarea nivelului are loc fără acesta. NQR este folosit și pentru studiul substanțelor, dar domeniul său de aplicare este chiar mai restrâns decât cel al EPR.

6. Avantajele și dezavantajele RMN

   

   RMN este cea mai puternică și informativă metodă de studiere a moleculelor. Strict vorbind, aceasta nu este o singură metodă, este un număr mare de tipuri diferite de experimente, adică secvențe de impulsuri. Deși toate se bazează pe fenomenul RMN, fiecare dintre aceste experimente este conceput pentru a obține unele informații specifice specifice. Numărul acestor experimente este măsurat în multe zeci, dacă nu în sute. Teoretic, RMN poate, dacă nu totul, atunci aproape tot ceea ce pot toate celelalte metode experimentale pentru studierea structurii și dinamicii moleculelor, deși în practică acest lucru este fezabil, desigur, nu întotdeauna. Unul dintre principalele avantaje ale RMN este că, pe de o parte, sondele sale naturale, adică nucleele magnetice, sunt distribuite în întreaga moleculă și, pe de altă parte, permite să distingeți aceste nuclee unul de celălalt și să obțineți date selective spațial. asupra proprietăților moleculei. Aproape toate celelalte metode oferă informații fie în medie pentru întreaga moleculă, fie doar pentru o parte a acesteia.

   RMN are două dezavantaje principale. În primul rând, este o sensibilitate scăzută în comparație cu majoritatea altor metode experimentale (spectroscopie optică, fluorescență, ESR etc.). Acest lucru duce la faptul că, pentru a media zgomotul, semnalul trebuie să fie acumulat mult timp. În unele cazuri, un experiment RMN poate fi efectuat chiar și pentru câteva săptămâni. În al doilea rând, este scump. Spectrometrele RMN sunt printre cele mai scumpe instrumente științifice, costând cel puțin sute de mii de dolari, iar cele mai scumpe spectrometre costă câteva milioane. Nu toate laboratoarele, în special în Rusia, își permit să aibă astfel de echipamente științifice.

7. Magneți pentru spectrometre RMN

   Una dintre cele mai importante și mai scumpe părți ale spectrometrului este magnetul, care creează un câmp magnetic constant. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât sensibilitatea și rezoluția spectrală sunt mai mari, așa că oamenii de știință și inginerii încearcă în mod constant să obțină câmpuri cât mai înalte posibil. Câmpul magnetic este creat de curentul electric din solenoid - cu cât curentul este mai puternic, cu atât câmpul este mai mare. Cu toate acestea, este imposibil să creșteți curentul la infinit; la un curent foarte mare, firul solenoidului va începe pur și simplu să se topească. Prin urmare, pentru o perioadă foarte lungă de timp, spectrometrele RMN cu câmp înalt au folosit magneți supraconductori, adică magneți în care firul solenoidului este într-o stare supraconductoare. În acest caz, rezistența electrică a firului este zero și nu se eliberează energie la nicio valoare a curentului. Starea supraconductoare poate fi atinsă doar la temperaturi foarte scăzute, doar câteva grade Kelvin, temperatura heliului lichid. (Supraconductivitatea la temperatură înaltă este încă domeniul cercetării pur fundamentale.) Cu menținerea unei temperaturi atât de scăzute sunt asociate toate dificultățile tehnice în proiectarea și producerea magneților, care îi fac scumpi. Un magnet supraconductor este construit pe principiul unui termos-matryoshka. Solenoidul este situat în centru, în camera de vid. Este înconjurat de o coajă care conține heliu lichid. Acest înveliș este înconjurat de un înveliș de azot lichid printr-un strat de vid. Temperatura azotului lichid este de minus 196 de grade Celsius; azotul este necesar pentru a se asigura că heliul se evaporă cât mai lent posibil. În cele din urmă, învelișul de azot este izolat de temperatura camerei printr-un strat exterior de vid. Un astfel de sistem este capabil să mențină temperatura dorită a unui magnet supraconductor pentru o perioadă foarte lungă de timp, deși acest lucru necesită adăugarea regulată de azot lichid și heliu la magnet. Avantajul unor astfel de magneți, pe lângă capacitatea de a obține câmpuri magnetice mari, este, de asemenea, că nu consumă energie: după pornirea magnetului, curentul trece prin fire supraconductoare fără pierderi practic timp de mulți ani.

8. Tomografie

   În spectrometrele RMN convenționale, acestea încearcă să facă câmpul magnetic cât mai uniform posibil, acest lucru fiind necesar pentru a îmbunătăți rezoluția spectrală. Dar dacă câmpul magnetic din interiorul probei, dimpotrivă, este foarte neomogen, acest lucru deschide posibilități fundamental noi pentru utilizarea RMN. Neomogenitatea câmpului este creată de așa-numitele bobine de gradient, care lucrează în tandem cu magnetul principal. În acest caz, mărimea câmpului magnetic în diferite părți ale probei va fi diferită, ceea ce înseamnă că semnalul RMN poate fi observat nu din întreaga probă, ca într-un spectrometru convențional, ci doar din stratul său îngust, pentru care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță, adică relația dorită între câmp magnetic și frecvență. Schimbând mărimea câmpului magnetic (sau, care este în esență același lucru, frecvența de observare a semnalului), puteți schimba stratul care va produce semnalul. În acest fel, este posibil să „scanăm” proba pe întregul său volum și să „vezi” structura sa tridimensională internă fără a distruge proba în vreun mod mecanic. Până în prezent, au fost dezvoltate un număr mare de tehnici care fac posibilă măsurarea diferiților parametri RMN (caracteristici spectrale, timpi de relaxare magnetică, viteza de autodifuzie și altele) cu rezoluție spațială în interiorul probei. Cea mai interesantă și importantă, din punct de vedere practic, aplicarea tomografiei RMN a fost găsită în medicină. În acest caz, „specimenul” studiat este corpul uman. Imagistica RMN este unul dintre cele mai eficiente și sigure (dar și costisitoare) instrumente de diagnostic în diverse domenii ale medicinei, de la oncologie la obstetrică. Este interesant de observat că medicii nu folosesc cuvântul „nuclear” în numele acestei metode, deoarece unii pacienți îl asociază cu reacțiile nucleare și cu bomba atomică.

9. Istoria descoperirii

   

   Anul descoperirii RMN este considerat a fi 1945, când americanii Felix Bloch din Stanford și, independent de el, Edward Purcell și Robert Pound de la Harvard au observat pentru prima dată semnalul RMN pe protoni. Până în acel moment, se știau deja multe despre natura magnetismului nuclear, efectul RMN în sine fusese prezis teoretic și s-au făcut mai multe încercări de a-l observa experimental. Este important de menționat că, cu un an mai devreme, în Uniunea Sovietică, la Kazan, fenomenul EPR a fost descoperit de Evgeniy Zavoisky. Acum este bine cunoscut faptul că Zavoisky a observat și semnalul RMN, acesta a fost înainte de război, în 1941. Cu toate acestea, a avut la dispoziție un magnet de calitate scăzută, cu o uniformitate slabă a câmpului; rezultatele erau slab reproductibile și, prin urmare, au rămas nepublicate. Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că Zavoisky nu a fost singurul care a observat RMN înainte de descoperirea sa „oficială”. În special, fizicianul american Isidor Rabi (câștigător al Premiului Nobel în 1944 pentru studiul său asupra proprietăților magnetice ale nucleelor ​​din fasciculele atomice și moleculare) a observat și el RMN la sfârșitul anilor 30, dar a considerat-o un artefact instrumental. Într-un fel sau altul, țara noastră păstrează prioritate în detectarea experimentală a rezonanței magnetice. Deși Zavoisky însuși a început să se ocupe de alte probleme imediat după război, descoperirea sa a jucat un rol imens în dezvoltarea științei în Kazan. Kazan rămâne încă unul dintre cele mai importante centre științifice din lume pentru spectroscopie EPR.

10. Premiul Nobel pentru rezonanță magnetică

    În prima jumătate a secolului al XX-lea, au fost acordate mai multe premii Nobel unor oameni de știință fără a căror activitate descoperirea RMN nu ar fi putut avea loc. Printre aceștia se numără Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Dar au existat patru premii Nobel legate direct de RMN. În 1952, premiul a fost acordat lui Felix Bloch și Edward Purcell pentru descoperirea rezonanței magnetice nucleare. Acesta este singurul premiu Nobel „RMN” pentru fizică. În 1991, elvețianul Richard Ernst, care a lucrat la celebra ETH din Zurich, a primit premiul pentru chimie. I-a fost premiat pentru dezvoltarea metodelor de spectroscopie RMN multidimensională, care au făcut posibilă creșterea radicală a conținutului de informații al experimentelor RMN. În 2002, câștigătorul premiului, tot la chimie, a fost Kurt Wüthrich, care a lucrat cu Ernst în clădirile învecinate la aceeași școală tehnică. El a primit premiul pentru dezvoltarea metodelor de determinare a structurii tridimensionale a proteinelor în soluție. Anterior, singura metodă pentru a determina conformația spațială a biomacromoleculelor mari era analiza de difracție de raze X. În cele din urmă, în 2003, americanul Paul Lauterbur și englezul Peter Mansfield au primit premiul medical pentru inventarea tomografiei RMN. Descoperitorul sovietic al EPR, E.K. Zavoisky, din păcate, nu a primit Premiul Nobel.

Rezonanța magnetică nucleară (RMN) este cea mai sigură metodă de diagnosticare

Mulțumesc

Site-ul oferă informații de referință doar în scop informativ. Diagnosticul și tratamentul bolilor trebuie efectuate sub supravegherea unui specialist. Toate medicamentele au contraindicații. Este necesară consultarea unui specialist!

Informații generale

Fenomen rezonanță magnetică nucleară (RMN) a fost descoperit în 1938 de rabinul Isaac. Fenomenul se bazează pe prezența proprietăților magnetice în nucleele atomilor. Abia în 2003 a fost inventată o metodă de utilizare a acestui fenomen în scopuri de diagnostic în medicină. Pentru invenție, autorii acesteia au primit Premiul Nobel. În spectroscopie, corpul studiat ( adică corpul pacientului) este plasat într-un câmp electromagnetic și iradiat cu unde radio. Aceasta este o metodă complet sigură ( spre deosebire, de exemplu, de tomografia computerizată), care are un grad foarte ridicat de rezoluție și sensibilitate.

Aplicații în economie și știință

1. În chimie și fizică pentru a identifica substanțele care participă la reacție, precum și rezultatele finale ale reacțiilor,
2. În farmacologia pentru producerea de medicamente,
3. În agricultură, pentru a determina compoziția chimică a cerealelor și pregătirea pentru semănat ( foarte util în reproducerea de noi specii),
4. În medicină - pentru diagnosticare. O metodă foarte informativă pentru diagnosticarea bolilor coloanei vertebrale, în special a discurilor intervertebrale. Face posibilă detectarea chiar și a celor mai mici încălcări ale integrității discului. Detectează tumorile canceroase în stadiile incipiente de formare.

Esența metodei

Metoda rezonanței magnetice nucleare se bazează pe faptul că în momentul în care corpul se află într-un câmp magnetic foarte puternic reglat special ( De 10.000 de ori mai puternic decât câmpul magnetic al planetei noastre), moleculele de apă prezente în toate celulele corpului formează lanțuri situate paralel cu direcția câmpului magnetic.

Dacă schimbați brusc direcția câmpului, molecula de apă eliberează o particulă de electricitate. Aceste încărcări sunt detectate de senzorii dispozitivului și analizate de un computer. Pe baza intensității concentrației de apă în celule, computerul creează un model al organului sau al părții corpului care este studiată.

La ieșire, medicul are o imagine monocromă pe care se pot vedea secțiuni subțiri ale organului în detaliu. În ceea ce privește conținutul informațional, această metodă depășește semnificativ tomografia computerizată. Uneori sunt oferite chiar mai multe detalii despre organul examinat decât este necesar pentru diagnostic.

Tipuri de spectroscopie de rezonanță magnetică

• fluide biologice,
• Organe interne.

Tehnica face posibilă examinarea în detaliu a tuturor țesuturilor corpului uman, inclusiv a apei. Cu cât țesuturile sunt mai fluide, cu atât sunt mai ușoare și mai strălucitoare în imagine. Oasele, în care există puțină apă, sunt reprezentate întunecate. Prin urmare, tomografia computerizată este mai informativă în diagnosticarea bolilor osoase.

Tehnica de perfuzie prin rezonanță magnetică face posibilă monitorizarea mișcării sângelui prin țesuturile ficatului și creierului.

Astăzi, în medicină, numele este mai larg folosit RMN (Imagistică prin rezonanță magnetică ), întrucât menționarea unei reacții nucleare în titlu sperie pacienții.

Indicatii

1. Boli ale creierului
2. Studii ale funcțiilor unor părți ale creierului,
3. Boli articulare,
4. boli ale măduvei spinării,
5. Boli ale organelor interne ale cavității abdominale,
6. Boli ale sistemului urinar și reproducător,
7. Boli ale mediastinului și inimii,
8. Boli vasculare.

Contraindicatii

Contraindicatii absolute:
1. Stimulator cardiac,
2. Proteze electronice sau feromagnetice pentru urechea medie,
3. aparate ferromagnetice Ilizarov,
4. Proteze interioare metalice mari,
5. Cleme hemostatice ale vaselor cerebrale.

Contraindicații relative:
1. Stimulante ale sistemului nervos,
2. pompe de insulină,
3. Alte tipuri de proteze ale urechii interne,
4. Valvele cardiace protetice,
5. Cleme hemostatice pe alte organe,
6. Sarcina ( este necesara obtinerea avizului unui medic ginecolog),
7. Insuficiență cardiacă în stadiul de decompensare,
8. Claustrofobie ( frica de spațiile închise).

Pregătirea pentru studiu

O pregătire specială este necesară numai pentru acei pacienți care sunt supuși examinării organelor interne ( genito-urinar și tractul digestiv): Nu trebuie să mâncați alimente cu cinci ore înainte de procedură.
Dacă capul este examinat, sexul frumos este sfătuit să se demachieze, deoarece substanțele conținute de produse cosmetice ( de exemplu, în fardul de ochi), poate afecta rezultatele. Toate bijuteriile metalice trebuie îndepărtate.
Uneori, personalul medical va verifica un pacient folosind un detector de metale portabil.

Cum se desfășoară cercetarea?

Înainte de a începe studiul, fiecare pacient completează un chestionar pentru a ajuta la identificarea contraindicațiilor.

Dispozitivul este un tub larg în care pacientul este plasat în poziție orizontală. Pacientul trebuie să rămână complet nemișcat, altfel imaginea nu va fi suficient de clară. Interiorul conductei nu este întunecat și există o ventilație proaspătă, astfel încât condițiile pentru procedură sunt destul de confortabile. Unele instalații produc un zumzet vizibil, apoi persoana examinată poartă căști care absorb zgomot.

Durata examinării poate varia de la 15 minute la 60 de minute.
Unele centre medicale permit unei rude sau persoane însoțitoare să fie alături de pacient în camera în care se desfășoară studiul ( daca nu are contraindicatii).

În unele centre medicale, un medic anestezist administrează sedative. În acest caz, procedura este mult mai ușor de tolerat, mai ales pentru pacienții care suferă de claustrofobie, pentru copiii mici sau pentru pacienții cărora, din anumite motive, le este greu să rămână nemișcați. Pacientul cade într-o stare de somn terapeutic și iese din ea odihnit și revigorat. Medicamentele utilizate sunt eliminate rapid din organism și sunt sigure pentru pacient.

Rezultatul examinării este gata în 30 de minute de la încheierea procedurii. Rezultatul este emis sub forma unui DVD, a unui raport medical și a fotografiilor.

Utilizarea agentului de contrast în RMN

Cel mai adesea, procedura are loc fără utilizarea contrastului. Cu toate acestea, în unele cazuri este necesar ( pentru cercetarea vasculară). În acest caz, agentul de contrast este perfuzat intravenos folosind un cateter. Procedura este similară cu orice injecție intravenoasă. Pentru acest tip de cercetare se folosesc substanțe speciale - paramagneti. Acestea sunt substanțe magnetice slabe, ale căror particule, aflându-se într-un câmp magnetic extern, sunt magnetizate paralel cu liniile de câmp.

Contraindicații pentru utilizarea substanțelor de contrast:

• sarcina,
• Intoleranță individuală la componentele agentului de contrast, identificată anterior.

Examen vascular (angiografie prin rezonanță magnetică)

Folosind această metodă, puteți monitoriza atât starea rețelei circulatorii, cât și mișcarea sângelui prin vase.
În ciuda faptului că metoda face posibilă „vederea” vaselor fără agent de contrast, cu utilizarea sa imaginea este mai clară.
Instalațiile speciale 4-D fac posibilă monitorizarea mișcării sângelui în timp aproape real.

Indicatii:

• Malformații cardiace congenitale,
• Anevrism, disecție,
• Stenoza vaselor,

Cercetarea creierului

Acesta este un test pentru creier care nu folosește fascicule radioactive. Metoda vă permite să vedeți oasele craniului, dar puteți examina țesuturile moi mai detaliat. O metodă excelentă de diagnostic în neurochirurgie, precum și în neurologie. Face posibilă detectarea consecințelor vânătăilor vechi și a comoțiilor, accidente vasculare cerebrale, precum și a neoplasmelor.
De obicei, este prescris pentru afecțiuni asemănătoare migrenei cu etiologie necunoscută, tulburări de conștiență, neoplasme, hematoame și lipsă de coordonare.

RMN-ul creierului examinează:

• vasele principale ale gâtului,
• vasele de sânge care alimentează creierul
• țesut cerebral,
• orbitele orbitelor,
• părțile profunde ale creierului ( cerebel, glanda pineală, glanda pituitară, alungită și secțiuni intermediare).

RMN funcțional

Acest diagnostic se bazează pe faptul că atunci când orice parte a creierului responsabilă de o anumită funcție este activată, circulația sângelui în acea zonă crește.
Persoanei examinate i se atribuie diverse sarcini, iar în timpul executării acestora se înregistrează circulația sângelui în diferite părți ale creierului. Datele obținute în timpul experimentelor sunt comparate cu tomograma obținută în perioada de repaus.

Examinarea coloanei vertebrale

Această metodă este excelentă pentru studierea terminațiilor nervoase, a mușchilor, a măduvei osoase și a ligamentelor, precum și a discurilor intervertebrale. Dar în cazul fracturilor coloanei vertebrale sau al necesității studierii structurilor osoase, este oarecum inferior tomografiei computerizate.

Puteți examina întreaga coloană vertebrală sau puteți examina doar zona de interes: cervical, toracic, lombo-sacral și, de asemenea, separat coccisul. Astfel, la examinarea coloanei cervicale, pot fi detectate patologii ale vaselor de sânge și vertebrelor care afectează alimentarea cu sânge a creierului.
La examinarea regiunii lombare, pot fi detectate herniile intervertebrale, vârfurile osoase și cartilajului, precum și nervii ciupit.

Indicatii:

• Modificări ale formei discurilor intervertebrale, inclusiv hernii,
• Leziuni ale spatelui și coloanei vertebrale
• Osteocondroză, procese distrofice și inflamatorii în oase,
• Neoplasme.

Examinarea măduvei spinării

Se efectuează simultan cu o examinare a coloanei vertebrale.

Indicatii:

• Probabilitatea apariției neoplasmelor măduvei spinării, a leziunilor focale,
• Pentru a controla umplerea cavităților măduvei spinării cu lichid cefalorahidian,
• chisturi ale măduvei spinării,
• Pentru a monitoriza recuperarea după intervenție chirurgicală,
• Dacă există riscul bolii măduvei spinării.

Examinarea comună

Această metodă de cercetare este foarte eficientă pentru studierea stării țesuturilor moi care alcătuiesc articulația.

Folosit pentru diagnosticare:

• artrita cronica,
• Leziuni ale tendoanelor, mușchilor și ligamentelor ( folosit mai ales în medicina sportivă),
• Perelomov,
• Neoplasme ale țesuturilor moi și oaselor,
• Daune nedetectate prin alte metode de diagnosticare.

Aplicabil pentru:

• Examinarea articulațiilor șoldului pentru osteomielita, necroza capului femural, fractură de stres, artrită septică,
• Examinarea articulațiilor genunchiului pentru fracturi de stres, încălcarea integrității unor componente interne ( menisc, cartilaj),
• Examinarea articulației umărului pentru luxații, nervi ciupit, ruptura capsulei articulare,
• Examinarea articulației încheieturii mâinii în cazuri de instabilitate, fracturi multiple, blocarea nervului median și afectarea ligamentelor.

Examinarea articulației temporomandibulare

prescris pentru a determina cauzele disfuncției articulației. Acest studiu dezvăluie cel mai pe deplin starea cartilajului și a mușchilor și face posibilă detectarea luxațiilor. Se foloseste si inaintea interventiilor chirurgicale ortodontice sau ortopedice.

Indicatii:

• Mobilitate afectată a maxilarului inferior,
• Sunete de clic la deschiderea și închiderea gurii,
• Durere în tâmplă la deschiderea și închiderea gurii,
• Durere la palparea mușchilor masticatori,
• Durere în mușchii gâtului și ai capului.

Examinarea organelor interne ale cavității abdominale

O examinare a pancreasului și ficatului este prescrisă pentru:

• icter neinfectios,
• Probabilitatea de neoplasm hepatic, degenerare, abces, chisturi, cu ciroză,
• Pentru a monitoriza progresul tratamentului,
• Pentru rupturi traumatice,
• Pietre în vezica biliară sau în căile biliare,
• Pancreatită sub orice formă,
• Probabilitatea de neoplasme,
• Ischemia organelor parenchimatoase.

Metoda vă permite să detectați chisturile pancreatice și să examinați starea căilor biliare. Sunt identificate orice formațiuni care blochează canalele.

O examinare a rinichilor este prescrisă atunci când:

• Suspiciunea unui neoplasm,
• Boli ale organelor și țesuturilor situate în apropierea rinichilor,
• Probabilitatea de perturbare a formării organelor urinare,
• Dacă este imposibilă efectuarea urografiei excretorii.

Înainte de a examina organele interne folosind rezonanța magnetică nucleară, este necesar să se efectueze o examinare cu ultrasunete.

Cercetare pentru boli ale sistemului reproducător

Examinările pelvine sunt prescrise pentru:

• Probabilitatea apariției unui neoplasm al uterului, vezicii urinare, prostatei,
• Leziuni,
• Neoplasme pelvine pentru identificarea metastazelor,
• Durere în zona sacră,
• veziculita,
• Pentru a examina starea ganglionilor limfatici.

Pentru cancerul de prostată, această examinare este prescrisă pentru a detecta răspândirea tumorii la organele din apropiere.

Nu este indicat să urinați cu o oră înainte de test, deoarece imaginea va fi mai informativă dacă vezica urinară este oarecum plină.

Studiază în timpul sarcinii

În ciuda faptului că această metodă de cercetare este mult mai sigură decât razele X sau tomografia computerizată, nu este strict permisă utilizarea în primul trimestru de sarcină.
În al doilea și al treilea trimestru, metoda este prescrisă numai din motive de sănătate. Pericolul procedurii pentru corpul unei femei gravide este că în timpul procedurii unele țesuturi sunt încălzite, ceea ce poate provoca modificări nedorite în formarea fătului.
Dar utilizarea unui agent de contrast în timpul sarcinii este strict interzisă în orice stadiu al gestației.

Masuri de precautie

1. Unele instalații RMN sunt proiectate ca un tub închis. Persoanele care suferă de teama de spații închise pot suferi un atac. Prin urmare, este mai bine să întrebați în prealabil cum va decurge procedura. Există instalații de tip deschis. Sunt o cameră asemănătoare unei camere cu raze X, dar astfel de instalații sunt rare.

2. Este interzisă intrarea în încăperea în care se află dispozitivul cu obiecte metalice și dispozitive electronice ( de exemplu ceasuri, bijuterii, chei), deoarece într-un câmp electromagnetic puternic, dispozitivele electronice se pot rupe, iar obiectele metalice mici se vor destrăma. În același timp, nu se vor obține date de sondaj complet corecte.

Înainte de utilizare, trebuie să consultați un specialist.

Fenomenul rezonanței magnetice. Rezonanța paramagnetică electronică (EPR)

În paragraful anterior, am luat în considerare divizarea liniilor spectrale asociate cu tranzițiile între subniveluri ale diferitelor niveluri de energie împărțite într-un câmp magnetic. Astfel de tranziții corespund intervalului de frecvență optică. Împreună cu aceasta, în aproximarea dipolului, tranzițiile între subnivelurile învecinate ale unui nivel de energie împărțit într-un câmp magnetic sunt posibile conform regulilor de selecție:

Din formula (3.95) rezultă că astfel de tranziții corespund frecvențelor:

La ÎN~ 0,3 T frecvență v * 10 Hz și lungime de undă X~ 3 cm. Acesta este intervalul de frecvență a microundelor sau domeniul de microunde. Probabilitatea tranzițiilor dipolului este proporțională cu v 3 , deci în domeniul de microunde este neglijabil de mică în comparație cu probabilitatea din domeniul optic. În plus, pentru atomii cu un electron de valență, tranzițiile în acest caz sunt interzise de regula de selecție AL =±. Cu toate acestea, probabilitatea tranzițiilor devine semnificativă atunci când se aplică un câmp magnetic alternativ extern suplimentar, adică atunci când tranzițiile devin forțate. Din cele ce urmează va fi clar că câmpul magnetic alternativ trebuie să fie perpendicular pe câmpul magnetic staționar, provocând divizarea Zeeman a nivelurilor de energie. Dacă frecvența câmpului magnetic alternativ este egală cu frecvența de tranziție (3.101), atunci are loc absorbția energiei sale sau emisia stimulată. În acest caz, orientarea momentului magnetic al atomului se schimbă brusc, adică proiecția acestuia pe direcția selectată.

Emisia sau absorbția undelor electromagnetice atunci când se modifică orientarea momentelor de dipol magnetic ale atomilor într-un câmp magnetic se numește fenomenul rezonanței magnetice.

O descriere consistentă a rezonanței magnetice este destul de dificilă. O imagine calitativă a acestui fenomen poate fi înțeleasă pe baza unui model clasic simplu. Dacă o particulă are un moment magnetic M, atunci într-un câmp magnetic extern constant B 0 = (0,0, B 0) asupra acestuia se acţionează un cuplu K = MxB 0 . Deoarece momentele magnetice M și J mecanice ale unei particule (de exemplu, un electron într-un atom) sunt legate prin relația:

unde y este raportul giromagnetic, y = gi b /h = de ex/2m e, atunci ecuația mișcării poate fi scrisă ca:

Aceasta este ecuația de sus, care arată că momentele mecanice și magnetice preced în jurul lui B 0 . Viteza unghiulară (frecvența) acestei precesii este egală cu:

Într-un câmp magnetic îndreptat de-a lungul axei z, particula dobândește energie suplimentară:

Frecvența de tranziție între subnivelurile energetice adiacente coincide cu frecvența de precesiune:

Orez. 3.34

Dacă adăugăm un câmp magnetic B variind cu frecvența w, perpendicular pe câmpul staționar B 0 (Fig. 3.34), atunci un cuplu variabil suplimentar [MxB,1. Când se modifică frecvențele de precesiune și câmpul B! sunt foarte diferite unele de altele, atunci pentru |B,|z, astfel încât în ​​medie acest unghi să nu se modifice. Cu toate acestea, dacă frecvența schimbării în câmpul B coincide cu frecvența de precesiune (3.104), atunci momentul magnetic pare a fi în condiții statice și cuplul suplimentar tinde să-l „răsturne”. Deoarece momentul magnetic este un vector cuantic, proiecția sa pe direcția câmpului magnetic static se poate schimba doar brusc, ceea ce corespunde unei tranziții la subnivelul divizat adiacent. Acesta este fenomenul rezonanței magnetice.

Dacă momentele magnetice și mecanice ale unui atom se datorează electronilor săi, atunci în acest caz rezonanța magnetică se numește rezonanța paramagnetică electronică(EPR). Când momentele sunt determinate de nucleul unui atom, se numește rezonanță magnetică rezonanță magnetică nucleară(RMN), care a fost observată pentru prima dată în experimente cu fascicule moleculare Rabi în 1938. Există, de asemenea, feromagneticȘi rezonanțe antiferomagnetice, asociat cu modificări de orientare a momentelor magnetice electronice la feromagneți și antiferomagneți. În continuare, să aruncăm o privire mai atentă asupra EPR.

Paramagnetismul electronic este posedat de: toți atomii și moleculele cu un număr impar de electroni (electroni nepereche, necompensați) pe învelișurile exterioare de electroni, deoarece în acest caz spinul total al sistemului nu este zero (atomi de sodiu liberi, oxid de azot gazos, etc.); atomi și ioni cu o înveliș electronică internă neumplută (elemente de pământ rare, actinide etc.), etc. EPR este un ansamblu de fenomene asociate tranzițiilor cuantice care au loc între nivelurile de energie ale sistemelor macroscopice sub influența unui câmp magnetic alternant de frecvență de rezonanță .

Fenomenul EPR a fost observat pentru prima dată experimental de E.K. Zavoisky în 1944. EPR servește ca un instrument puternic pentru studierea proprietăților substanțelor paramagnetice în cantități macroscopice. În acest caz, nu există una, ci multe particule cu momente magnetice. Caracteristica magnetică macroscopică a unei substanțe este vectorul de magnetizare 1 = , unde N- numărul de particule pe unitate

volumul substanței; - momentul magnetic mediu al particulelor. Sistemul de momente al tuturor particulelor paramagnetice ale unei substanțe date se numește sistem de spin. Gradele de libertate rămase ale paramagneticului - mediul momentelor magnetice - sunt numite „zăbrele”. În acest sens, sunt luate în considerare două tipuri de interacțiuni: momentele magnetice între ele (interacțiunea spin-spin) și momentele magnetice cu mediul înconjurător (interacțiunea spin-latice). Într-un sistem de spin izolat, nu există o absorbție staționară a energiei câmpului alternativ. De fapt, înainte de a porni câmpul magnetic alternativ, numărul de particule în starea fundamentală este mai mare decât numărul lor N 2 într-o stare excitată. Când energia este absorbită, numărul de particule JV scade, iar numărul N 2 crește. Acest lucru se va întâmpla până când N]Și N 2 nu va fi egal. Apoi se obține saturația și se oprește absorbția de energie în continuare. Luând în considerare interacțiunea sistemului de spin cu rețeaua, absorbția staționară a energiei devine posibilă. Grătarul servește ca un rezervor de energie și se încălzește în acest proces.

Modificarea vectorului de magnetizare este descrisă de ecuația Bloch:

unde un = (x,y,z)‘ t y - raportul giromagnetic; 1 0 - valoarea de echilibru a vectorului de magnetizare într-un câmp magnetic constant la 0 =(0,0, B 0); t x - timp de relaxare spin-spin (sau transversal), t x =t y=t2; t z - timp de spin-latice (sau longitudinal).

relaxare, t^ = t,. Valorile lui m și m 2 depind de caracteristicile interacțiunii fiecărei particule cu particulele care o înconjoară. Determinarea acestor timpi de relaxare este principala sarcină experimentală a metodei rezonanței magnetice. În Ec.

(3.106) primul termen este scris prin analogie cu ecuația de mișcare a unui singur moment magnetic (3.103). Al doilea termen se datorează interacțiunilor spin-spin și spin-latice, care determină dacă sistemul ajunge la o stare de echilibru.

Puterea de radiație /(ω) absorbită de o substanță paramagnetică este calculată folosind ecuația (3.106). Este determinat de formula

Unde A- oarecare multiplicator; ÎN ]- amplitudinea câmpului magnetic alternant. Forma curbei de absorbție este determinată de funcție

unde o) 0 este frecvența de precesiune, o) 0 =у# 0.

Aceasta arată că absorbția este de natură rezonantă (Fig. 3.35). Curba de absorbție are formă lorentziană și atinge un maxim la rezonanță: co=co 0. Lățimea liniei de absorbție:

Într-un câmp magnetic de înaltă frecvență suficient de slab, lățimea curbei de absorbție este determinată de timpul de relaxare spin-spin. Pe măsură ce acest câmp crește, linia de absorbție se lărgește. Lățimea curbei de absorbție determină timpii de relaxare, care sunt legați de proprietățile substanței. Pentru a obține rezonanța experimental, se dovedește a fi mai convenabil să se schimbe nu frecvența câmpului magnetic alternativ, ci frecvența de precesie prin schimbarea câmpului magnetic constant.

În fig. Figura 3.36 prezintă una dintre diagramele simple ale unui spectroscop radio pentru observarea EPR - un spectroscop radio cu o punte de ghid de undă. Conține o sursă stabilă de radiație RF - un klystron, un rezonator cu cavitate reglabilă cu proba în studiu și un sistem de măsurare pentru detectarea, amplificarea și indicarea semnalului. Energia klystron ajunge jumătate în brațul rezonatorului care conține proba studiată și jumătate în celălalt braț la sarcina potrivită. Prin reglarea șurubului, puteți echilibra puntea. Dacă apoi modificați câmpul magnetic constant folosind bobine de modulație, atunci la rezonanță absorbția de energie a probei crește brusc, ceea ce duce la dezechilibrul punții. Apoi, după amplificarea semnalului, osciloscopul scrie o curbă de rezonanță.

Metoda EPR este foarte sensibilă. Vă permite să măsurați timpii de relaxare, momentele magnetice nucleare, să efectuați o analiză cantitativă a oricăror substanțe paramagnetice de până la 10 -12 g de substanță și să determinați structura compușilor chimici.

configurații electronice, măsoară intensitatea câmpului magnetic slab de până la 79,6 A/m etc.

Să arătăm cum putem calcula puterea radiației absorbite de o substanță paramagnetică (3.107). Să ne imaginăm un câmp magnetic alternativ care se rotește în sensul acelor de ceasornic (în direcția de precesie a momentului magnetic) într-o formă complexă:

B(t)== 2?,coso)/-/"#, sinw/ = 2? u +iBly. De asemenea, puteți intra

vector complex de magnetizare /(/)= / și +I (9 care este legat de vectorul complex al câmpului magnetic alternativ prin relația / = x(o>)R, unde x(w) este susceptibilitatea magnetică complexă. Această relație este introdusă similar cu cazul static, când câmpul magnetic B Q constantă: / 0 = x 0 ? 0, unde %o~ susceptibilitate magnetică statică.Din ecuaţiile Bloch (3.106) se obţine

În regim de echilibru avem: - = -/o)/, -- = 0. Atunci de la

sistemul (3.110) urmează sistemul de ecuații:

Solutia acestui sistem:

Puterea medie absorbită pe perioada câmpului poate fi calculată folosind formula

Rezultă că puterea absorbită este determinată de partea imaginară a susceptibilității magnetice complexe.

Multe rezultate fundamentale au fost obținute folosind metoda rezonanței magnetice. În special, a fost măsurat momentul magnetic anormal al electronului. S-a dovedit că momentul magnetic de spin al unui electron nu este egal cu exact un magneton Bohr, adică pentru un electron raportul giromagnetic g e ^2. Acest lucru a fost deja discutat în §2.7. A fost măsurat și momentul magnetic al neutronului etc.. Pe baza acestei metode, a fost creat un standard de timp și frecvență al fasciculului atomic - atomicron folosind un fascicul de atomi de cesiu Cs 133

1. Ionului liber Cu 2+ îi lipsește un electron în învelișul 3d. Determinați frecvența rezonanței paramagnetice într-un câmp magnetic de 421,88-10 3 A/m.

Soluţie. Stare fundamentală - /)-stare (L= 2) cu spin 5= 1/2. Conform regulii lui Hund, numărul /= L+ 5= 5/2. În absența unui câmp magnetic, acest nivel nu este împărțit cu un factor de degenerare de (25+ 1)(2Z.+ 1) = 10. Într-un câmp magnetic constant, nivelul este împărțit în 2/+ 1 = 6 subniveluri . factorul Lande g=6/5. Frecvența rezonanței paramagnetice este determinată de formula (3.101).

REZONANȚĂ MAGNETICĂ NUCLEARĂ

REZONANȚĂ MAGNETICĂ NUCLEARĂ
.

RMN apare din cauza cuanticei. tranziții ale nucleelor ​​induse de câmpul de radiofrecvență H1, de la energii inferioare. niveluri spre cele superioare. Tranzițiile sunt însoțite de absorbția magnetismului electric. energie. Câmpul H1 poate fi polarizat liniar, poate fi descompus în 2 câmpuri polarizate opus într-un cerc, dintre care unul va excita RMN. Frecvența de tranziție trebuie să îndeplinească condiția:

.

unde DMI este diferența în mag. cuantic. număr de niveluri (se observă RMN intens la DMI=1). RMN a fost observat pentru prima dată de Amer. fizicianul I. A. Rabi în 1937 asupra nucleelor ​​izolate în fascicule moleculare și atomice. În 1946, E. Purcell și F. Bloch (SUA) și colegii de muncă au dezvoltat metode de observare a RMN în materie condensată unde este otravă. interacționează între ele și cu mediul. Aceste două tipuri de efecte restaurează în eșantion (nuclee în funcție de nivelurile de energie) perturbate de câmpul H1, și fac astfel posibilă observarea absorbției rezonante într-un mediu condensat. Relaxare. asociate cu procesele de stabilire și distrugere a otravii. magnetizare M. Precesarea într-un câmp puternic H0 magnetic. momentele m au atât de-a lungul lui H0 cât și perpendiculare pe acesta. Sumele ambelor pentru unități. Volumul substanței este determinat de otrava longitudinală (Mz) și transversală (Mx și My). magnetizare.

Interacțiunea spinurilor între ele (interacțiunea spin-spin) nu poate modifica energia lor totală și influențează stabilirea valorii lui Mz. Pentru a schimba Mz, este necesar să se schimbe energia rotațiilor cu mediul (în cadrul rezoluției). Mx și Mu, dimpotrivă, se modifică datorită efectului de spin-spin și (în cazul ideal) nu depind de efectul de spin-spin. Ratele de schimbare a Mz, Mx și My sunt caracterizate de timpii de relaxare T1 longitudinal și T2 transversal. În lichide, T1 și T2 sunt de obicei aproape unul de celălalt. Cristalizarea duce la mijloace. o scădere a T2 (procesele de relaxare sunt asociate cu caracteristicile mișcării moleculare). În cristalele diamagnetice pure T1 atinge o valoare de câteva. ore datorită micii câmpuri intracristaline și particularităților de modulare a acestor câmpuri prin vibrații termice. Impuritățile paramagnetice duc la o scădere bruscă a T1 datorită acțiunii magneților. câmpuri de ioni de impurități; pentru soluţiile lichide paramagnetice T1-10-3-10-4 s şi depinde de concentraţia moleculelor paramagnetice. Relaxare. procesele din metale sunt determinate în principal de magnetism. influența electronilor de conducere și a nucleelor. T1 determinat prin aceasta are valori de la ms la zeci de s la o temperatură de 1-10 K; depinde de temperatura și puritatea probei.

Linia RMN are o formă lorentziană, determinată în principal de cuplarea spin-spin, și o lățime Dw proporțională cu. 1/T2 În cristale, efectul de spin-spin al nucleelor ​​este de obicei atât de mare încât linia este împărțită în mai multe. componentă. Forma liniei este influențată de electricitate. miezurile care interacţionează cu intracristalin. electric camp. În moleculele complexe, nucleele identice de atomi care ocupă poziții neechivalente constau dintr-un număr de linii. De exemplu, 6 atomi de hidrogen de alcool etilic provoacă apariția a 3 linii (Fig. 3), distanța dintre care este semnificativ mai mare decât lățimea liniilor (la o frecvență de 40 MHz și H0 = 9350 Oe, această distanță este dH = 24 Oe). Acest așa-zis chimic. , apare ca o consecință a descompunerii. influența electronilor atomilor neechivalenți cu câmpul H0.

.

Orez. 3. Spectrul RMN al protonilor în alcool etilic pur. Divizarea liniilor de rezonanță ale grupurilor OH, CH2, CH3 se datorează interacțiunii indirecte spin-spin.

Chim. Deplasarea ne permite să judecăm structura moleculelor substanței. Spectrele RMN sunt complicate din cauza așa-numitelor. acțiune indirectă spin-spin a nucleelor, efectuată prin spin și momentele orbitale ale electronilor. În metale, ca urmare a interacțiunii electronilor de conducție cu nucleele, are loc o schimbare de frecvență (cu dv i g N a i t a).

RMN este observată folosind spectroscoape radio (RMN). O mostră din substanța studiată este plasată ca miez în bobina unui circuit generator (câmp H1), situat în golul unui magnet care creează un câmp H0 astfel încât H1^HO (Fig. 4). La w=w0, are loc absorbția rezonantă, care provoacă o cădere de tensiune pe circuitul în care bobina cu proba este inclusă în circuit.

.

Orez. 4. Schema unui spectroscop RMN: 1 - bobină cu o probă; 2 - poli magnetici; 3 - generator HF; 4 - amplificator si detector; 5 - generator de tensiune modulator; 6 - Bobine de modulare a câmpului H0.

Căderea de tensiune este detectată, amplificată și alimentată la balanța unui osciloscop. Câmpul H0 este modulat astfel încât să se modifice cu mai multe. E cu o frecvență de la 50 Hz la 1 kHz. Aceeași frecvență este utilizată de un osciloscop orizontal. Absorbția se repetă de două ori pe ecran. Echipamente utilizate pentru studii de diferite tipuri. efecte subtile de RMN, mai complicat, este echipat cu automat. dispozitive pentru înregistrarea spectrelor etc.

RMN ca metodă de studiere a nucleelor, atomilor și moleculelor a primit numeroase aplicații în fizică, chimie, biologie și tehnologie. Mecanic, electric. și mag. proprietățile multor nuclee, au fost determinate anumite proprietăți fizice (cu mare precizie). constante, s-au obținut date despre proprietățile substanțelor din lichid și cristale. stări, structura moleculelor, metalelor, comportamentul substanțelor în organismele vii etc. Pe baza RMN au fost dezvoltate metode de măsurare a intensităților câmpului magnetic. câmpuri (vezi MAGNETOMETRO), metode de monitorizare a progresului chimiei. reacții etc.

Dicționar enciclopedic fizic. - M.: Enciclopedia Sovietică. . 1983 .

REZONANȚĂ MAGNETICĂ NUCLEARĂ

(RMN) - absorbția prin rezonanță a el.-magn. energie în substanţe datorită paramagnetism nuclear; caz special rezonanță magnetică. RMN a fost descoperit de F. Bloch și E. Purcell (E. Purcell, E. Purcell) (SUA) în 1946. RMN este observată într-un post puternic. mag. camp N 0 . în același timp expunerea probei la un magnet slab de radiofrecvență. câmp perpendicular N 0 . RMN se datorează prezenței spinurilor în nuclee eu , momentele corespunzătoare ale numărului de mișcare J =eu imaginea momente

Iată-mă aici - giromagn. raportul nuclear; g eu - factorul nuclear spectroscopic. despicare ( multiplicatorul Lande), având semnificații diferite pentru dif. miezuri; b= e/ 2Domnișoară- magneton nuclear ( M- masa miezului), abs. de aproape 10 3 ori mai mică ca mărime magneton Bora. Spiri ale nucleelor ​​cu număr de masă impar A(numărul total de protoni și neutroni), au valori pe jumătate întregi care sunt multipli de 1/2 . Sâmburi cu par A sau nu au nicio învârtire ( eu=0), dacă sarcina Z (numărul de protoni) este pară sau are valori întregi de spin (1, 2, 3 etc.).

Descriere teoretică.În conformitate cu clasicul reprezentări, post de interacțiune. mag. câmpuri N 0 s magnetic cuplul miezului m conduce la precesia acestuia din urmă în jur N 0 . cu frecventa

Frecvenţa de rezonanţă w 0 depinde de g i; pentru protoni la H 0 = 10 4 . E v 0 = w0/2p=42,577 MHz. Pentru alte nuclee din același câmp magnetic. câmp de valoare v 0 sunt în intervalul de 110 MHz. Radiofrecvență magnetică câmpul de frecvență w 0 perpendicular N 0 , determină o modificare a unghiului de precesiune, adică modifică mărimea proiecției magnetului nuclear. moment pe direcția câmpului N 0 . Aceasta este însoțită de absorbția rezonantă a magnetismului electric. energie și este detectată prin apariția FEM indusă în bobina din jurul probei. Diff. nucleele sunt caracterizate prin diferite valori ale w 0, ceea ce le permite identificarea lor. Totuși, datorită faptului că este slabă (de 10 5 10 8 ori mai slabă decât paramagnetismul electronic), RMN poate fi observată doar pe probe cu un număr mare de nuclei studiate (de obicei 10 16) și cu ajutorul unor instrumente foarte sensibile. și echipamente speciale. tehnici.

Conform teoriei cuantice, în domeniu N 0 stări ale spinului nuclear sunt cuantificate, adică proiecția acestuia T, direcția câmpului poate lua doar una dintre valorile: + eu, + (eu-1), ..., -eu. În cel mai simplu caz al nucleelor ​​izolate, care nu interacționează, interacțiunea câmpurilor lor magnetice. momente m cu câmpul este descris de Hamiltonian, propriu-zis. ale căror valori caracterizează sistemul 2 I+ 1 energie echidistantă niveluri (fig. 1):

Distanța dintre ele . Variabila el.-magn. câmpul poate provoca tranziții între aceste niveluri conform regulilor de selecție D eu= + 1.

Orez. 1. Diagrama nivelurilor de energie a protonilor în camp magnetic ( eu= 1 / 2).

Prin urmare, în prezența unui magnet oscilant transversal. câmp care satisface condiția de rezonanță, are loc absorbția magnetică a electronilor. energie:

Din expresia (4) este clar că frecvența de rezonanță w 0 ne permite să determinăm g i, g I și, prin urmare, identific nucleele studiate.

Procese de relaxare. Lățimea liniei. Despre absorbția energiei electric-magnetice. câmpurile în timpul tranzițiilor rezonante se poate spune dacă numărul de tranziții induse de jos. nivelul faţă de cel superior depăşeşte numărul de tranziţii în sens opus. La echilibru termic, mai mic nivelul este mai populat decât cel superior, în conformitate cu Distribuția Boltzmann:

Aici T- temp-pa; ; N 1 , N 2 - populație mai scăzută si de sus. niveluri. Cu expunere continuă la un câmp rezonant de radiofrecvență de magnitudine N 1 și N 2 se poate nivela și absorbția rezonantă se poate opri (adică va apărea saturația).

Cu toate acestea, odată cu egalizarea populațiilor de nivel, relaxarea are loc în timpul absorbției de energie rezonantă. procese de interacțiune a unui sistem de spin cu întregul set de particule care îl înconjoară, care au toate gradele de libertate de mișcare, cu excepția celui de spin, cu atomi cristalini. rețele, cu particule de lichid sau gaz etc. (procese de așa-numită relaxare a punctului de rezoluție pin). Ele sunt însoțite de tranziții non-radiative (de relaxare) între diferite stări ale nucleelor. Interacțiunea spin-fonon datorită duratei de viață finite t 1 a stării excitate a nucleului, duce la estomparea energiei. nivelurile nucleului (vezi Lățimea nivelului) și la modificarea energiei sistemului de spin în câmp N 0 , longitudinal determinat (de-a lungul N 0) componentă de proiecție magnetică. moment. Prin urmare, t 1 se numește. TEMPORIZARE RELAXARE LONGITUDINALA. Încețoșarea nivelurilor, la rândul său, duce la așa-numitul. lărgirea uniformă a liniei spectrului RMN, proporţională cu t 1 -1.

În solide și lichide, procesele interacțiune spin-spin miezuri. Ei numesc rude. modificări ale energiei stărilor de spin (adică ele provoacă murdărirea nivelului) fără a modifica durata de viață a stării. Energia totală a întregului sistem de spin nu se modifică. S p i n -s p i n o v a i r l a c k s i a s i se caracterizează prin timpul t 2 . Un exemplu de interacțiuni spin-spin este magnetul direct. interacțiunea dipol-dipol mag. momentele nucleelor ​​vecine în cristalin. grătar. Fiecare dintre cei doi dipoli identici care interacționează se creează la locul celuilalt (la distanță r )magnet local. camp N lok . Câmpul total care acționează asupra unui magnet nuclear. momentul este determinat de suma H 0 + H lok , precum şi componenta variabilă transversală H (t)câmp creat prin proiecția câmpului magnetic. momentul dipolului vecin precedent. AC câmp transversal H (t) va acţiona ca un câmp de radiofrecvenţă, ducând la relaxarea (cu timpul t 2) a componentei transversale a vectorului magnetic. moment (de unde termenul „timp de relaxare transversală”). Spin-spin duce, de asemenea, la lărgirea liniei spectrale. În cazul interacțiunii dipol-dipol, câmpul local (precum și câmpul neomogen peste eșantion N 0) provoacă așa-numita lărgirea neuniformă, iar relaxarea transversală, caracterizată prin timpul t2, lărgește linia neuniform. În electricitate neconductoare solide și semiconductori de obicei t 1 >> t 2 . Valorile t 1 se află într-un interval larg de la 10 -4 s pentru soluțiile paramagnetice. săruri până la câteva ceasuri pentru diamagn pur. cristale. Valorile lui t 2 variază de la 10 -4 s pentru cristale la câțiva s pentru cele diamagnetice. lichide.

O linie spectrală uniform lărgită este descrisă de o curbă Lorentz, care caracterizează oscilatoarele amortizate (Fig. 2, A):

unde D v= (2pt 2) -1 . Jumătatea liniei este 2/t 2 . În solide, unde interacțiunile dipol-dipol pot fi reprezentate ca un set de decomp. eff local. mag. câmpurile, pot fi descrise prin curba lui G a u s a (Fig. 2,b):

Aici v 2 >-abatere standard, sau așa-numita. al doilea moment.În lichide și gaze, nucleele termice medii dipol și anumite alte tipuri de interacțiuni. Liniile spectrale sunt restrânse la fracțiuni de Hz (această zonă a cercetării RMN se numește spectroscopie de înaltă rezoluție). În cristale, lățimea liniei RMN este determinată de mărimea câmpurilor câmpurilor paramagnetice învecinate staționare. miezuri. Liniile au o lățime de 10 2 -10 3 Hz și o formă gaussiană. Teoria permite din analiza formei și unghiului. dependențe (unghiul dintre câmp N 0 și cristalografic. direcții) ale spectrului RMN al unui singur cristal pentru a determina distanța dintre paramagnetice. nucleele, unghiurile dintre legăturile lor de valență, natura atomilor din jur etc.

Orez. 2. Forma liniilor spectrale: A- Lorentseva, b- gaussian.

Topirea cristalului este însoțită de o îngustare a liniilor spectrale RMN din cauza mișcării termice care face media câmpului magnetic. interacțiunea nucleelor ​​și amestecarea difuziei acestora. Îngustarea liniilor spectrale se manifestă vizibil atunci când frecvența salturilor paramagnetice. atom ~ 10 4 Hz. Metoda RMN este utilizată pentru a studia mobilitatea de difuzie a atomilor în conductorii superionici sau electroliții solizi.

Timpii de relaxare, lățimea și forma liniilor RMN sunt influențate de interacțiunea energiei electrice. momentul cvadrupol al nucleului (at eu> 1 / 2 ), care caracterizează nesfericitatea nucleelor, cu electricitate locală. câmp în cristal. Interacțiunea cvadrupolului poate provoca scindarea magneziului. subniveluri ale nucleelor, comparabile ca mărime și chiar superioare divizării în magneziu. camp. În special, aproape toți compușii A III B V au spinuri nucleare mari eu iar miezurile lor au acele mijloace. momente patrupolare. Manifestarea efectelor de patrupol nuclear este deosebit de vizibilă atunci când interacționează cu o sarcină. impurități sau defecte la semiconductori.

Influența electronilor.ÎN semiconductori puternic dopați Pot apărea efecte RMN caracteristice metalelor, în special o schimbare a frecvențelor de rezonanță (Knight shift). Această schimbare se datorează faptului că în ext. camp N 0 electroni de conducție creează DC la locul nucleului. mag. un câmp care deplasează frecvența de rezonanță w 0 (de obicei crescând-o în comparație cu un semiconductor care are o concentrație scăzută de purtători liberi de sarcină).

Învelișul de electroni de ecranare a atomului duce, de asemenea, la o schimbare a frecvenței de rezonanță (deplasare chimică). Magn. camp N 0 induce curenți electronici în învelișul de electroni a atomului, creând curenți complementari. câmp pe nuclee, opus celui extern. camp. Această schimbare este proporțională N 0 și este 10 -3 10 -6 de la H 0 . Chim. schimbarea este mai mică decât schimbarea Knight, iar semnul său este opus. Chim. deplasarea depinde de structura carcaselor electronice și de natura substanței chimice. legături, ceea ce face posibilă evaluarea structurii moleculelor sau a complexelor de impurități după mărimea deplasării.

Ținând cont de factorii enumerați ai sistemului paramagnetic. nucleele dintr-un solid pot fi reprezentate sub forma

Aici este operatorul de interacțiune cu magnetul. câmp (termen Zeeman), -Hamiltonian al interacțiunilor spin (dipol-dipol), -Hamiltonian al interacțiunilor cvadrupol, -chim. tură, -Turcă de cavaler.

Metode experimentale. RMN se observă prin modificarea fiecăreia H 0 (metoda staționară), care este mai convenabilă din punct de vedere tehnic, sau frecvența AC. câmpuri (metoda pulsului). Pentru a observa RMN folosind o metodă staționară, este necesar să se creeze un magnet. un câmp cu un grad ridicat de omogenitate a cărui valoare N 0 poate fi schimbat fără probleme. Proba este plasată în inducție. bobina dintre polii unui magnet. Bobina este, de asemenea, folosită pentru a excita un câmp de radiofrecvență H 1 , și pentru a înregistra modificările rezistenței AC. curent, care apar în momentul rezonanței [circuit Purcell (Purcell)]. Conform schemei Bloch, o secțiune separată este situată perpendicular pe bobina cu proba. bobina receptor. Viteza de trecere prin rezonanță în metoda staționară este aleasă să fie mai mică decât viteza de relaxare. proceselor. Când are loc rezonanța în bobină, are loc inducția de radiofrecvență. un semnal care conține componente care diferă în fază cu 90° și sunt proporționale cu dispersia și absorbția undelor electrice. energie (așa-numitul semnal de dispersie și semnal de absorbție). De obicei, semnalul de absorbție este înregistrat, ceea ce face posibilă îmbunătățirea rezoluției liniilor spectrale din apropiere. Pentru a detecta semnale slabe, se folosesc circuite punte și câmpuri sincrone la frecvența de modulație N 0 urmat de amplificare. Semnalul este înregistrat de un înregistrator sau un osciloscop.

Metodele RMN staționare sunt relativ simple și fiabile și sunt în mod inerent fiabile. interpretarea fără ambiguitate a rezultatelor. Cu toate acestea, atunci când se studiază liniile RMN largi în solide, mai multe informații despre mecanismele interacțiunilor nucleare pot fi obținute folosind metode pulsate (non-staționare) folosind transformate Fourier. Utilizarea acestor metode RMN se datorează posibilității de a face o medie a anumitor interacțiuni și de îngustare a liniilor largi, deși unele interacțiuni pot fi mediate fără a utiliza modul puls, de exemplu. datorită medierii mișcărilor nucleelor ​​în spațiul de coordonate. Hamiltonianul interacțiunii dipol-dipol spin conține un factor (1-3 cos 2 q ij), unde q este unghiul dintre direcție N 0 . și vectorul rază care leagă spinurile nucleelor eu . Acest factor ajunge la 0 la unghiul q ij= arccos (1/. 54°44", prin urmare, rotația rapidă a probei (până la 10 5 rpm) la un unghi q reprezintă o medie a unei părți a hamiltonianului interacțiunii dipol-dipol în un singur cristal și duce la o îngustare a linia spectrală.

Medierea interacțiunilor de spin atunci când se utilizează metoda RMN pulsată are loc din cauza „frângerii” spinurilor nucleelor, care practic nu se mișcă de la nodurile unui cristal staționar. Aplicarea unei secvențe de impulsuri de câmp de radiofrecvență N 1, cu o durată mai scurtă decât timpul de relaxare spin-spin t 2, face posibilă efectuarea unei mediei selective a anumitor interacțiuni și studierea reacțiilor chimice. deplasarea și natura legăturilor interatomice din cristale.

Metodele RMN sunt utilizate pe scară largă în materia organică. chimie pentru a studia structura și compoziția substanțelor chimice. compuși, precum și în studiul dinamicii și mecanismelor anumitor substanțe chimice. reactii. Spectrele liniilor înguste de RMN sunt caracterizate prin substanțe chimice. deplasări ale grupurilor de linii, structura acestora (numărul de linii dintr-un grup) și intensitatea absorbției, proporționale cu concentrația atomilor studiați într-un anumit mediu. Astfel, din spectrele RMN este posibil să se determine tipul și locația atomilor din jurul materialului paramagnetic. nucleul, structura electronică și natura interacțiunilor intramoleculare. Paramagnetic nucleul de hidrogen inclus în descompunere. organic , are cel mai mult de dimensiunea unui mag. moment în comparație cu alte nuclee și este un obiect convenabil pentru observarea RMN (rezonanța magnetică a protonilor, PMR). Valori chimice deplasări ale liniilor înguste PMR în descompunere. complecșii și compușii fac posibilă obținerea, de exemplu, de informații despre natura legăturilor de hidrogen. Pentru organic compuși există tabele și diagrame ale substanțelor chimice. hidrogenul se schimbă în descompunere. molecule Împreună cu protonii ca paramagnetic sonde în chimie nucleele 19 F, 14 N, 15 N, 31 P, 13 C, 29 Si pot fi utilizați în compuși.

În solide, din cauza lipsei de mediere a interacțiunilor spin-spin, se observă linii largi RMN. Când se studiază RMN în metale, magnitudinea deplasării Knight poate fi utilizată pentru a determina magneziul. susceptibilitatea c s şi electronul pe nucleul studiat. Deplasările Knight au fost studiate și în metale lichide (cu linii RMN înguste) și supraconductori de tip I și II.

În cristalele ionice de dielectrici cu un număr mic de electroni liberi pot apărea reacții chimice. Deplasarea liniei spectrale RMN. Cu toate acestea, datorită lățimii mari de linie spectrală în metodele chimice RMN staționare. schimbările sunt dificil de determinat și tehnicile RMN pulsate sunt de obicei folosite pentru a le studia.

Aplicații ale RMN în cercetarea semiconductorilor. Măsurarea dependenței timpului de relaxare spin-rețea de nucleele izotopului 29 Si al siliciului cu un spin diferit de O față de concentrația de electroni și găuri din semiconductor, precum și de gradul de compensare a acestuia, face posibilă pentru a verifica teoreticul modele de relaxare procesele și caracteristicile lor în semiconductori electronici ( n) și gaura ( R) tipuri de conductivitate. Bazat pe schimbarea naturii relaxării spin-latice pe nucleele 29 Si și apariția deplasării Knight cu concentrația de purtători de sarcină n= 4 . 10 18 cm -3 se poate stabili o tranziție de la semiconductor la metal. tipul de conductivitate, precum și natura acestei tranziții. Studii similare au fost efectuate pe nuclee de 73 Ge ( eu 0) în monocristale de germaniu. Nucleele tuturor elementelor care formează o rețea de compuși A III B V, cu excepția lui P ( eu= 1 / 2), au momente cvadrupolare Q 0. Acest lucru se manifestă și în dependențele de temperatură ale relaxării. caracteristici, în special în accelerarea relaxării spin-latice datorită efectelor de patrupol.

Chim. Cu cât este mai mare numărul de electroni din învelișul unui atom și cu atât eff este mai mic, cu atât este mai mare deplasarea. sarcina învelișurilor atomilor vecini dintr-un cristal. Naib. s-au studiat compuşii A III B V, în care chimic. deplasarea ajunge la 10 2 -10 3 ppm din N 0 . Valori chimice deplasările pe nuclee 11 V, 31 P, 71 Ga, 115 In, 121 Sb se corelează cu valorile eff. sarcina nucleelor ​​vecine.

RMN este, de asemenea, utilizat pentru a studia adsorbția de gaze și lichide pe suprafața semiconductorilor. Adsorbție paramagnetică nucleele scade spinurile nucleare ale fazei lichide sau gazoase, ceea ce duce la o modificare a lățimii liniei spectrale RMN. Adsorbția afectează, de asemenea, timpii de relaxare spin-spin și spin-latice.

Mărimea interacțiunii dipol-dipol este paramagnetică. nucleele se modifică în funcţie de orientarea câmpului magnetic. câmpuri N 0 raportat la cristalografic. topoare. Studiul acestei anizotropii face posibilă determinarea orientării reciproce a spinurilor nucleelor, distanțele dintre nuclee, natura și simetria mediului paramagnetic imediat. centru și, de asemenea, să exploreze cristalele structurale. Când interacționează cu un număr mare de paramagnetice Analiza nucleelor ​​spectrelor complexe RMN se realizează folosind așa-numitul. al doilea moment al liniei spectrale, care în timpul interacțiunii nucleelor ​​identice este descris de legea Van Vleck. Al doilea moment este determinat de valoarea rădăcină pătrată medie a magneților locali. câmpuri create pe nucleu de toți ceilalți dipoli nucleari. Fiecare model structural este caracterizat de un anumit valorile celui de-al doilea moment, care este utilizat cu succes în analiza structurii semiconductorilor sticloși. Există programe pentru calcularea momentelor secunde ale liniilor RMN folosind modele structurale pentru monocristale ale unui sistem arbitrar.

Pentru compușii A III B V cu rețea ZnS s-a studiat descompunerea. mag. interacţiunile şi influenţa lor asupra celui de-al doilea moment al liniei spectrale. Calcule similare au făcut posibilă estimarea concentrației proprietăților. defecte ale GaAs, stabiliți tipul, locația și încărcarea acestora. Studierea influenței impurităților asupra formei spectrelor RMN face posibilă determinarea poziției impurităților în rețea și a concentrațiilor acestora, precum și influența impurităților asupra efectelor ecranării gradienților electrici. câmpuri în cristal.

Studiile RMN ale protonilor din Si amorf hidrogenat au evidențiat grupuri de monohidrați și au făcut posibilă determinarea lor cf. dimensiuni.

Când se studiază cristalele semiconductoare, rezonanța dublă electron-nuclear și metodele optice sunt utilizate pe scară largă. polarizarea nucleelor ​​(vezi Orientare opticăîn semiconductor).

Lit.: 1) Abraham A., Nuclear, trad. din engleză, M., 1963; 2) Gunter H., Introducere în cursul spectroscopiei RMN, trad. din engleză, M., 1984; 3) Carrington A., McLachlan E., Rezonanța magnetică și aplicarea ei în chimie, trad. din engleză, M. 1970; 4) nucleare; editat de P. M. Borodina, L., 1.982; 5) Buznik V.M., Nuclear resonance in ionic crystals, Novosibirsk, 1981; 6), Heberlen U., Mehring M., High-resolution RMN în solide, trans. din engleză, M., 1980; 7) Rembeza S.I., Rezonanța paramagnetică în semiconductori, M., 19,88; 8) Kiselev V.F., Krylov O.V., Procese de adsorbție pe suprafața semiconductorilor și dielectricilor, M., 1978; 9) Bond-da. I. Rembeza.

Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia Sovietică. Redactor-șef A. M. Prohorov. 1988 .