Rezonancë magnetike

thithja selektive nga një substancë e valëve elektromagnetike të një gjatësi vale të caktuar, e shkaktuar nga një ndryshim në orientimin e momenteve magnetike të elektroneve ose bërthamave atomike. Nivelet e energjisë së një grimce që ka një moment magnetik (Shih momentin magnetik) μ, në një fushë magnetike të jashtme N janë të ndara në nënnivele magnetike, secila prej të cilave korrespondon me një orientim të caktuar të momentit magnetik μ në lidhje me fushën N(shih efektin Zeeman). Fusha elektromagnetike e frekuencës rezonante ω shkakton kalime kuantike ndërmjet nënniveleve magnetike. Gjendja e rezonancës ka formën:

Nëse thithja e energjisë elektromagnetike kryhet nga bërthamat, atëherë M. r. quhet rezonancë magnetike bërthamore (Shih rezonancën magnetike bërthamore), NMR. Momentet magnetike të bërthamave përcaktohen nga rrotullimet e tyre I. Numri i nënniveleve magnetike bërthamore është 2 I+ 1, dhe distancat midis nënniveleve ngjitur janë të njëjta dhe të barabarta:

Në shumë raste, përshkrimi klasik i një fushe magnetike është i dobishëm, bazuar në faktin se një grimcë përjeton një moment magnetik μ në një fushë magnetike të jashtme. N Precesioni Larmor (Shih Precesioni Larmor) në lidhje me drejtimin e vektorit N me frekuencë ω = γ N. Fusha magnetike e alternuar H 1, pingul N dhe rrotullimi në mënyrë sinkrone me μ, domethënë me frekuencë ω, ka një efekt të vazhdueshëm në momentin magnetik, gjë që çon në ndryshimin e orientimit të tij në hapësirë.

Tek M.r. ndonjëherë i referuar edhe si rezonancë ciklotron, e vëzhguar në metale dhe gjysmëpërçues të vendosur në një fushë magnetike konstante, është thithja rezonante e energjisë elektromagnetike e lidhur me lëvizjen periodike të elektroneve përçuese (Shihni Elektronin e përcjelljes) dhe vrimave (Shih Vrimën) në një plan pingul. në fushë N(shih Forca e Lorencit, Diamagnetizmi).

Gama e frekuencës M. r. përcaktohet nga madhësia e raportit magnetomekanik. Për një elektron të lirë γ/2π = 2,799×10 6 gc·e -1, për një proton γ/2π = 4,257×10 3 gc·e -1, për bërthamat e tjera me rrotullim, γ/2π = 10 2 -10 3 gts·e -1 . Në përputhje me këtë, në fushat magnetike Rezonanca magnetike 10 3 -10 4 uh Frekuencat EPR bien në intervalin e mikrovalëve (10 9 -10 11 Hz), dhe NMR - në intervalin e valës së shkurtër (Shihni valët e shkurtra) (10 6 -10 7 Hz).

Lit.: Slikter Ch., Bazat e teorisë së rezonancës magnetike, përkthim nga anglishtja, M., 1967; Abraham A., Nuclear magnetism, përkthim nga anglishtja, M., 1963; Altshuler S. A., Kozyrev B. M., Rezonanca paramagnetike e elektroneve, M., 1961.

V. A. Atsarkin.

Ndarja e niveleve të energjisë në një fushë magnetike të jashtme H 0 në rastin e rezonancës magnetike bërthamore në I = 3/2.

Enciklopedia e Madhe Sovjetike. - M.: Enciklopedia Sovjetike. 1969-1978 .

Shihni se çfarë është "Rezonanca magnetike" në fjalorë të tjerë:

I zgjedhur thithja nga një substancë e energjisë elektrike. mag. valët e një frekuence të caktuar w, për shkak të një ndryshimi në orientimin e fushës magnetike. momentet e grimcave të materies (elektrone, at. bërthama). Energjisë nivelet e një grimce që ka një magnetike moment m, në ext. mag. fusha H...... Enciklopedia fizike

I zgjedhur absorbimi në el. mag. valët e përcaktuara frekuenca w, për shkak të një ndryshimi në orientimin magnetik. momente h c në va (el të reja, at. bërthama). Energjisë nivelet e çajit, i cili ka një magnetike moment m, në ext. mag. fusha H ndahet në magnetike... ... Enciklopedia fizike

rezonancë magnetike- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Fjalori anglisht-rusisht i inxhinierisë elektrike dhe inxhinierisë së energjisë, Moskë, 1999] Temat e inxhinierisë elektrike, konceptet themelore EN rezonancë magnetike ... Udhëzues teknik i përkthyesit

Thithja rezonante (selektive) e rrezatimit të radiofrekuencës nga grimca të caktuara atomike të vendosura në një fushë magnetike konstante. Shumica e grimcave elementare, si majat, rrotullohen rreth boshtit të tyre. Nëse një grimcë ka... ... Enciklopedia e Collier

I zgjedhur thithjen e energjisë elektrike mag. rrezatimi i një frekuence të caktuar nga jashtë. mag. fushë. Për shkak të kalimeve ndërmjet magnetike nënnivele të të njëjtit nivel energjetik të një atomi, bërthamës dhe sistemeve të tjera kuantike. Naib. shembuj të rëndësishëm të rezonancave të tilla... ... Shkenca natyrore. fjalor enciklopedik

rezonancë magnetike- thithja selektive nga një substancë e valëve elektromagnetike të një frekuence të caktuar, e shkaktuar nga një ndryshim në orientimin e momenteve magnetike të grimcave të substancës; Shihni gjithashtu: Rezonancën e rezonancës magnetike bërthamore (NMR) ... Fjalor Enciklopedik i Metalurgjisë

rezonancë magnetike- magnetini rezonansas statusas T sritis chemija apibrėžtis Tam tikro dažnio elektromagnetinių bangų atrankioji sugertis medžiagoje. atitikmenys: angl. rezonancë magnetike rus. rezonancë magnetike... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

- (NMR), thithja selektive e energjisë elektrike. mag. energjia në ajër, për shkak të paramagnetizmit bërthamor. NMR është një nga metodat e spektroskopisë së radios, e vërejtur kur magnetet reciprokisht pingulë veprojnë në kampionin në studim. fushat: konstante e fortë H0... Enciklopedia fizike

Imazhi i një truri të njeriut në një tomograf mjekësor NMR Absorbimi rezonant i rezonancës magnetike bërthamore (NMR) ose emetimi i energjisë elektromagnetike nga një substancë që përmban bërthama me rrotullim jo zero në një fushë magnetike të jashtme, në një frekuencë ν ... ... Wikipedia

- (NMR), thithja selektive e energjisë akustike. vibracionet (fonone), për shkak të riorientimit të fushës magnetike. momente në. bërthamat në TV trup i vendosur në një fushë magnetike konstante. fushë. Për shumicën e bërthamave, përthithja rezonante vërehet në rajonin tejzanor... ... Enciklopedia fizike

libra

• Rezonanca magnetike në kimi dhe mjekësi, R. Freeman, Monografia e shkencëtarit të famshëm në fushën e spektroskopisë NMR R. Freeman kombinon një ekzaminim vizual të parimeve bazë të rezonancës magnetike në kimi dhe mjekësi (biologji) me një nivel të lartë… Kategoria: Fizikë Botuesi:

1. Thelbi i fenomenit

   Para së gjithash, duhet të theksohet se megjithëse emri i këtij fenomeni përmban fjalën "bërthamore", NMR nuk ka asnjë lidhje me fizikën bërthamore dhe në asnjë mënyrë nuk lidhet me radioaktivitetin. Nëse flasim për një përshkrim të rreptë, atëherë nuk ka asnjë mënyrë për të bërë pa ligjet e mekanikës kuantike. Sipas këtyre ligjeve, energjia e bashkëveprimit të bërthamës magnetike me një fushë magnetike të jashtme mund të marrë vetëm disa vlera diskrete. Nëse bërthamat magnetike rrezatohen me një fushë magnetike alternative, frekuenca e së cilës korrespondon me diferencën midis këtyre niveleve diskrete të energjisë, të shprehura në njësi frekuence, atëherë bërthamat magnetike fillojnë të lëvizin nga një nivel në tjetrin, ndërsa thithin energjinë e alternimit. fushë. Ky është fenomeni i rezonancës magnetike. Ky shpjegim është formalisht i saktë, por jo shumë i qartë. Ka një shpjegim tjetër, pa mekanikën kuantike. Bërthama magnetike mund të imagjinohet si një top i ngarkuar elektrikisht që rrotullohet rreth boshtit të tij (edhe pse, në mënyrë rigoroze, nuk është kështu). Sipas ligjeve të elektrodinamikës, rrotullimi i një ngarkese çon në shfaqjen e një fushe magnetike, d.m.th., momentin magnetik të bërthamës, i cili drejtohet përgjatë boshtit të rrotullimit. Nëse ky moment magnetik vendoset në një fushë të jashtme konstante, atëherë vektori i këtij momenti fillon të paraprihet, d.m.th., të rrotullohet rreth drejtimit të fushës së jashtme. Në të njëjtën mënyrë, boshti i pjesës së sipërme preces (rrotullohet) rreth vertikalës nëse nuk është i zbërthyer rreptësisht vertikalisht, por në një kënd të caktuar. Në këtë rast, roli i fushës magnetike luhet nga forca e gravitetit.

   Frekuenca e precesionit përcaktohet si nga vetitë e bërthamës ashtu edhe nga forca e fushës magnetike: sa më e fortë të jetë fusha, aq më e lartë është frekuenca. Pastaj, nëse, përveç një fushe magnetike të jashtme konstante, bërthama ndikohet nga një fushë magnetike alternative, atëherë bërthama fillon të ndërveprojë me këtë fushë - duket se bërthama e lëkundet më fort, amplituda e precesionit rritet dhe bërthama thith energjinë e fushës alternative. Sidoqoftë, kjo do të ndodhë vetëm në kushtet e rezonancës, d.m.th., koincidencës së frekuencës së precesionit dhe frekuencës së fushës së jashtme alternative. Ky është i ngjashëm me shembullin klasik nga fizika e shkollës - ushtarët që marshojnë nëpër një urë. Nëse frekuenca e hapit përkon me frekuencën natyrore të urës, atëherë ura lëkundet gjithnjë e më shumë. Eksperimentalisht, ky fenomen manifestohet në varësinë e përthithjes së një fushe alternative nga frekuenca e saj. Në momentin e rezonancës, përthithja rritet ndjeshëm, dhe spektri më i thjeshtë i rezonancës magnetike duket kështu:

   

2. Spektroskopia e transformimit Furier

   Spektrometrat e parë NMR funksionuan saktësisht siç përshkruhet më sipër - mostra u vendos në një fushë magnetike konstante dhe rrezatimi i frekuencës së radios aplikohej vazhdimisht në të. Pastaj ose frekuenca e fushës alternative ose intensiteti i fushës magnetike konstante ndryshonte pa probleme. Thithja e energjisë së fushës alternative u regjistrua nga një urë radiofrekuence, sinjali nga i cili dilte në një regjistrues ose oshiloskop. Por kjo metodë e regjistrimit të sinjalit nuk është përdorur për një kohë të gjatë. Në spektrometrat modernë NMR, spektri regjistrohet duke përdorur impulse. Momentet magnetike të bërthamave ngacmohen nga një puls i shkurtër i fuqishëm, pas së cilës regjistrohet sinjali i induktuar në bobinën RF nga momentet magnetike që kalojnë lirshëm. Ky sinjal gradualisht zvogëlohet në zero ndërsa momentet magnetike kthehen në ekuilibër (ky proces quhet relaksim magnetik). Spektri NMR merret nga ky sinjal duke përdorur transformimin Furier. Kjo është një procedurë standarde matematikore që ju lejon të zbërtheni çdo sinjal në harmonikë të frekuencës dhe kështu të merrni spektrin e frekuencës së këtij sinjali. Kjo metodë e regjistrimit të spektrit ju lejon të zvogëloni ndjeshëm nivelin e zhurmës dhe të kryeni eksperimente shumë më shpejt.

   

   Një impuls emocionues për të regjistruar një spektër është eksperimenti më i thjeshtë NMR. Megjithatë, në një eksperiment mund të ketë shumë impulse të tilla me kohëzgjatje, amplituda të ndryshme, me vonesa të ndryshme midis tyre etj., në varësi të llojit të manipulimeve që duhet të kryejë studiuesi me sistemin e momenteve magnetike bërthamore. Megjithatë, pothuajse të gjitha këto sekuenca pulsi përfundojnë në të njëjtën gjë - duke regjistruar një sinjal precesioni të lirë të ndjekur nga një transformim Furier.

3. Ndërveprimet magnetike në materie

   Vetë rezonanca magnetike nuk do të mbetej asgjë më shumë se një fenomen fizik interesant nëse nuk do të ishin ndërveprimet magnetike të bërthamave me njëra-tjetrën dhe me shtresën elektronike të molekulës. Këto ndërveprime ndikojnë në parametrat e rezonancës, dhe me ndihmën e tyre, metoda NMR mund të sigurojë një shumëllojshmëri informacionesh në lidhje me vetitë e molekulave - orientimin e tyre, strukturën hapësinore (konformimin), ndërveprimet ndërmolekulare, shkëmbimin kimik, dinamikën rrotulluese dhe përkthimore. Falë kësaj, NMR është bërë një mjet shumë i fuqishëm për studimin e substancave në nivel molekular, i cili përdoret gjerësisht jo vetëm në fizikë, por kryesisht në kimi dhe biologji molekulare. Një shembull i një ndërveprimi të tillë është i ashtuquajturi zhvendosje kimike. Thelbi i saj është si më poshtë: guaska elektronike e një molekule i përgjigjet një fushe magnetike të jashtme dhe përpiqet ta kontrollojë atë - shqyrtimi i pjesshëm i fushës magnetike ndodh në të gjitha substancat diamagnetike. Kjo do të thotë se fusha magnetike në molekulë do të ndryshojë nga fusha magnetike e jashtme me një sasi shumë të vogël, e cila quhet zhvendosje kimike. Sidoqoftë, vetitë e shtresës elektronike në pjesë të ndryshme të molekulës janë të ndryshme, dhe zhvendosja kimike është gjithashtu e ndryshme. Prandaj, kushtet e rezonancës për bërthamat në pjesë të ndryshme të molekulës gjithashtu do të ndryshojnë. Kjo bën të mundur dallimin e bërthamave kimikisht jo ekuivalente në spektër. Për shembull, nëse marrim spektrin e bërthamave të hidrogjenit (protoneve) të ujit të pastër, atëherë do të ketë vetëm një linjë, pasi të dy protonet në molekulën H 2 O janë saktësisht të njëjta. Por për alkoolin metil CH 3 OH tashmë do të ketë dy linja në spektër (nëse neglizhojmë ndërveprimet e tjera magnetike), pasi ekzistojnë dy lloje protonesh - protonet e grupit metil CH 3 dhe protoni i lidhur me atomin e oksigjenit. Ndërsa molekulat bëhen më komplekse, numri i linjave do të rritet, dhe nëse marrim një molekulë kaq të madhe dhe komplekse si proteinë, atëherë në këtë rast spektri do të duket diçka si kjo:

   

4. Bërthamat magnetike

   NMR mund të vërehet në bërthama të ndryshme, por duhet thënë se jo të gjitha bërthamat kanë një moment magnetik. Ndodh shpesh që disa izotopë të kenë një moment magnetik, por izotopë të tjerë të së njëjtës bërthamë jo. Në total, ka më shumë se njëqind izotope të elementeve të ndryshëm kimikë që kanë bërthama magnetike, por në kërkime zakonisht përdoren jo më shumë se 1520 bërthama magnetike, gjithçka tjetër është ekzotike. Çdo bërthamë ka raportin e vet karakteristik të fushës magnetike dhe frekuencës së precesionit, të quajtur raporti xhiromagnetik. Për të gjitha bërthamat këto marrëdhënie janë të njohura. Duke përdorur ato, ju mund të zgjidhni frekuencën në të cilën, nën një fushë magnetike të caktuar, do të vërehet një sinjal nga bërthamat që i nevojiten studiuesit.

   Bërthamat më të rëndësishme për NMR janë protonet. Ato janë më të bollshmet në natyrë dhe kanë një ndjeshmëri shumë të lartë. Bërthamat e karbonit, azotit dhe oksigjenit janë shumë të rëndësishme për kiminë dhe biologjinë, por shkencëtarët nuk kanë pasur shumë fat me to: izotopet më të zakonshme të karbonit dhe oksigjenit, 12 C dhe 16 O, nuk kanë një moment magnetik, natyral. izotopi i azotit 14 N ka një moment, por për një sërë arsyesh është shumë i papërshtatshëm për eksperimente. Ka izotope 13 C, 15 N dhe 17 O që janë të përshtatshëm për eksperimente NMR, por bollëku i tyre natyror është shumë i ulët dhe ndjeshmëria e tyre është shumë e ulët në krahasim me protonet. Prandaj, mostrat speciale të pasuruara me izotop shpesh përgatiten për studime NMR, në të cilat izotopi natyror i një bërthame të veçantë zëvendësohet nga ai i nevojshëm për eksperimentet. Në shumicën e rasteve, kjo procedurë është shumë e vështirë dhe e shtrenjtë, por ndonjëherë është e vetmja mundësi për të marrë informacionin e nevojshëm.

5. Rezonanca paramagnetike dhe katërpolëshe e elektroneve

   Duke folur për NMR, nuk mund të mos përmenden dy fenomene të tjera fizike të lidhura - rezonanca paramagnetike e elektroneve (EPR) dhe rezonanca katërpolëshe bërthamore (NQR). EPR është në thelb i ngjashëm me NMR, ndryshimi është se rezonanca vërehet në momentet magnetike jo të bërthamave atomike, por të shtresës elektronike të atomit. EPR mund të vërehet vetëm në ato molekula ose grupe kimike, shtresa elektronike e të cilave përmban një të ashtuquajtur elektron të paçiftuar, atëherë guaska ka një moment magnetik jo zero. Substancat e tilla quhen paramagnet. EPR, si NMR, përdoret gjithashtu për të studiuar vetitë e ndryshme strukturore dhe dinamike të substancave në nivel molekular, por qëllimi i përdorimit të tij është dukshëm më i ngushtë. Kjo është kryesisht për shkak të faktit se shumica e molekulave, veçanërisht në natyrën e gjallë, nuk përmbajnë elektrone të paçiftuara. Në disa raste, ju mund të përdorni një të ashtuquajtur sondë paramagnetike, domethënë një grup kimik me një elektron të paçiftuar që lidhet me molekulën në studim. Por kjo qasje ka disavantazhe të dukshme që kufizojnë aftësitë e kësaj metode. Për më tepër, EPR nuk ka një rezolucion kaq të lartë spektral (d.m.th., aftësinë për të dalluar një linjë nga tjetra në spektër) si në NMR.

   Është më e vështirë të shpjegohet natyra e NQR "në gishta". Disa bërthama kanë atë që quhet moment elektrik katërpolësh. Ky moment karakterizon devijimin e shpërndarjes së ngarkesës elektrike të bërthamës nga simetria sferike. Ndërveprimi i këtij momenti me gradientin e fushës elektrike të krijuar nga struktura kristalore e substancës çon në ndarjen e niveleve energjetike të bërthamës. Në këtë rast, mund të vëzhgoni një rezonancë në një frekuencë që korrespondon me tranzicionet midis këtyre niveleve. Ndryshe nga NMR dhe EPR, NQR nuk kërkon një fushë magnetike të jashtme, pasi ndarja e nivelit ndodh pa të. NQR përdoret gjithashtu për të studiuar substancat, por fushëveprimi i tij i aplikimit është edhe më i ngushtë se ai i EPR.

6. Avantazhet dhe disavantazhet e NMR

   

   NMR është metoda më e fuqishme dhe informuese për studimin e molekulave. Në mënyrë të rreptë, kjo nuk është një metodë, është një numër i madh i llojeve të ndryshme të eksperimenteve, d.m.th., sekuenca pulsi. Megjithëse të gjitha bazohen në fenomenin e NMR, secili prej këtyre eksperimenteve është krijuar për të marrë disa informacione specifike specifike. Numri i këtyre eksperimenteve matet në shumë dhjetëra, nëse jo qindra. Teorikisht, NMR mundet, nëse jo gjithçka, atëherë pothuajse gjithçka që munden të gjitha metodat e tjera eksperimentale për studimin e strukturës dhe dinamikës së molekulave, megjithëse në praktikë kjo është e realizueshme, natyrisht, jo gjithmonë. Një nga avantazhet kryesore të NMR-së është se, nga njëra anë, sondat e saj natyrore, d.m.th. mbi vetitë e molekulës. Pothuajse të gjitha metodat e tjera ofrojnë informacion ose mesatarisht për të gjithë molekulën ose vetëm për një pjesë të saj.

   NMR ka dy disavantazhe kryesore. Së pari, është me ndjeshmëri të ulët në krahasim me shumicën e metodave të tjera eksperimentale (spektroskopia optike, fluoreshenca, EPR, etj.). Kjo çon në faktin se për të mesatarizuar zhurmën, sinjali duhet të grumbullohet për një kohë të gjatë. Në disa raste, një eksperiment NMR mund të kryhet edhe për disa javë. Së dyti, është e shtrenjtë. Spektrometrat NMR janë ndër instrumentet shkencorë më të shtrenjtë, që kushtojnë të paktën qindra mijëra dollarë dhe spektrometrit më të shtrenjtë kushtojnë disa milionë. Jo të gjithë laboratorët, veçanërisht në Rusi, mund të përballojnë të kenë pajisje të tilla shkencore.

7. Magnet për spektrometrat NMR

   Një nga pjesët më të rëndësishme dhe më të shtrenjta të spektrometrit është magneti, i cili krijon një fushë magnetike konstante. Sa më e fortë të jetë fusha, aq më e lartë është ndjeshmëria dhe rezolucioni spektral, kështu që shkencëtarët dhe inxhinierët vazhdimisht përpiqen t'i bëjnë fushat sa më të larta që të jetë e mundur. Fusha magnetike krijohet nga rryma elektrike në solenoid - sa më e fortë të jetë rryma, aq më e madhe është fusha. Sidoqoftë, është e pamundur të rritet rryma pafundësisht; në një rrymë shumë të lartë, teli solenoid thjesht do të fillojë të shkrihet. Prandaj, për një kohë shumë të gjatë, spektrometrat NMR me fushë të lartë kanë përdorur magnet superpërçues, d.m.th., magnet në të cilët teli solenoid është në një gjendje superpërcjellëse. Në këtë rast, rezistenca elektrike e telit është zero dhe nuk lëshohet energji në asnjë vlerë aktuale. Gjendja superpërcjellëse mund të arrihet vetëm në temperatura shumë të ulëta, vetëm disa gradë Kelvin, temperatura e heliumit të lëngshëm. (Superpërcjellshmëria e temperaturës së lartë është ende fusha e kërkimeve thjesht themelore.) Është me ruajtjen e një temperature kaq të ulët që lidhen të gjitha vështirësitë teknike në projektimin dhe prodhimin e magneteve, të cilat i bëjnë ato të shtrenjta. Një magnet superpërçues është ndërtuar në parimin e një termos-matryoshka. Solenoidi ndodhet në qendër, në dhomën e vakumit. Ajo është e rrethuar nga një guaskë që përmban helium të lëngshëm. Kjo guaskë është e rrethuar nga një predhë azoti i lëngshëm përmes një shtrese vakumi. Temperatura e azotit të lëngshëm është minus 196 gradë Celsius; azoti nevojitet për të siguruar që heliumi të avullojë sa më ngadalë. Së fundi, guaska e azotit izolohet nga temperatura e dhomës nga një shtresë e jashtme vakum. Një sistem i tillë është i aftë të mbajë temperaturën e dëshiruar të një magneti superpërçues për një kohë shumë të gjatë, megjithëse kjo kërkon shtimin e rregullt të azotit të lëngshëm dhe heliumit në magnet. Avantazhi i magneteve të tillë, përveç aftësisë për të marrë fusha të larta magnetike, është gjithashtu se ata nuk konsumojnë energji: pas ndezjes së magnetit, rryma kalon nëpër tela superpërçues me pothuajse asnjë humbje për shumë vite.

8. Tomografia

   Në spektrometrat konvencionale NMR, ata përpiqen ta bëjnë fushën magnetike sa më uniforme të jetë e mundur, kjo është e nevojshme për të përmirësuar rezolucionin spektral. Por nëse fusha magnetike brenda kampionit, përkundrazi, bëhet shumë johomogjene, kjo hap mundësi thelbësisht të reja për përdorimin e NMR. Inhomogjeniteti i fushës krijohet nga të ashtuquajturat bobina gradient, të cilat punojnë së bashku me magnetin kryesor. Në këtë rast, madhësia e fushës magnetike në pjesë të ndryshme të kampionit do të jetë e ndryshme, që do të thotë se sinjali NMR mund të vëzhgohet jo nga e gjithë kampioni, si në një spektrometër konvencional, por vetëm nga shtresa e tij e ngushtë, për të cilën plotësohen kushtet e rezonancës, d.m.th., marrëdhënia e dëshiruar ndërmjet fushës magnetike dhe frekuencës. Duke ndryshuar madhësinë e fushës magnetike (ose, që është në thelb e njëjta gjë, frekuencën e vëzhgimit të sinjalit), mund të ndryshoni shtresën që do të prodhojë sinjalin. Në këtë mënyrë, është e mundur të "skanohet" mostra në të gjithë vëllimin e saj dhe "të shihet" struktura e saj e brendshme tredimensionale pa e shkatërruar mostrën në asnjë mënyrë mekanike. Deri më sot, janë zhvilluar një numër i madh teknikash që bëjnë të mundur matjen e parametrave të ndryshëm NMR (karakteristikat spektrale, kohët e relaksimit magnetik, shpejtësia e vetëdifuzionit dhe disa të tjera) me rezolucion hapësinor brenda kampionit. Aplikimi më interesant dhe më i rëndësishëm, nga pikëpamja praktike, i tomografisë NMR u gjet në mjekësi. Në këtë rast, "shembulli" që studiohet është trupi i njeriut. Imazhi NMR është një nga mjetet diagnostikuese më efektive dhe më të sigurta (por edhe të shtrenjta) në fusha të ndryshme të mjekësisë, nga onkologjia në obstetrikë. Është interesante të theksohet se mjekët nuk përdorin fjalën "bërthamore" në emër të kësaj metode, sepse disa pacientë e lidhin atë me reaksionet bërthamore dhe bombën atomike.

9. Historia e zbulimit

   

   Viti i zbulimit të NMR-së konsiderohet të jetë viti 1945, kur amerikanët Felix Bloch nga Stanford dhe, pavarësisht nga ai, Edward Purcell dhe Robert Pound nga Harvard për herë të parë vëzhguan sinjalin NMR në protone. Në atë kohë, tashmë dihej shumë për natyrën e magnetizmit bërthamor, vetë efekti NMR ishte parashikuar teorikisht dhe ishin bërë disa përpjekje për ta vëzhguar atë në mënyrë eksperimentale. Është e rëndësishme të theksohet se një vit më parë në Bashkimin Sovjetik, në Kazan, fenomeni EPR u zbulua nga Evgeniy Zavoisky. Tani dihet mirë se Zavoisky gjithashtu vëzhgoi sinjalin NMR, ky ishte para luftës, në 1941. Megjithatë, ai kishte në dispozicion një magnet të cilësisë së ulët me uniformitet të dobët të fushës; rezultatet ishin të riprodhueshme dobët dhe për këtë arsye mbetën të pabotuara. Për të qenë të drejtë, duhet theksuar se Zavoisky nuk ishte i vetmi që vëzhgoi NMR përpara zbulimit të tij "zyrtar". Në veçanti, fizikani amerikan Isidor Rabi (fitues i çmimit Nobel në 1944 për studimin e tij të vetive magnetike të bërthamave në rrezet atomike dhe molekulare) gjithashtu vëzhgoi NMR në fund të viteve '30, por e konsideroi atë një objekt instrumental. Në një mënyrë apo tjetër, vendi ynë ka përparësi në zbulimin eksperimental të rezonancës magnetike. Edhe pse vetë Zavoisky filloi të merrej me probleme të tjera menjëherë pas luftës, zbulimi i tij luajti një rol të madh në zhvillimin e shkencës në Kazan. Kazani mbetet ende një nga qendrat kryesore shkencore në botë për spektroskopinë EPR.

10. Çmimet Nobel në Rezonancën Magnetike

    Në gjysmën e parë të shekullit të 20-të, disa çmime Nobel iu dhanë shkencëtarëve pa punën e të cilëve zbulimi i NMR nuk do të kishte ndodhur. Mes tyre janë Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Por kishte katër çmime Nobel të lidhura drejtpërdrejt me NMR. Në vitin 1952, çmimi iu dha Felix Bloch dhe Edward Purcell për zbulimin e rezonancës magnetike bërthamore. Ky është i vetmi çmim Nobel "NMR" në fizikë. Në vitin 1991, zvicerani Richard Ernst, i cili punonte në ETH të famshëm në Cyrih, mori çmimin për kimi. Atij iu dha për zhvillimin e metodave të spektroskopisë shumëdimensionale NMR, të cilat bënë të mundur rritjen rrënjësore të përmbajtjes së informacionit të eksperimenteve NMR. Në vitin 2002, fituesi i çmimit, gjithashtu në kimi, ishte Kurt Wüthrich, i cili punoi me Ernst në ndërtesat fqinje në të njëjtën Shkollë Teknike. Ai mori çmimin për zhvillimin e metodave për përcaktimin e strukturës tre-dimensionale të proteinave në zgjidhje. Më parë, metoda e vetme për të përcaktuar konformacionin hapësinor të biomakromolekulave të mëdha ishte analiza e difraksionit me rreze X. Më në fund, në vitin 2003, amerikani Paul Lauterbur dhe anglezi Peter Mansfield morën çmimin mjekësor për shpikjen e tomografisë NMR. Zbuluesi sovjetik i EPR, E.K. Zavoisky, mjerisht, nuk mori çmimin Nobel.

Rezonanca magnetike bërthamore (NMR) është metoda më e sigurt diagnostike

Faleminderit

Faqja ofron informacion referencë vetëm për qëllime informative. Diagnoza dhe trajtimi i sëmundjeve duhet të bëhet nën mbikëqyrjen e një specialisti. Të gjitha barnat kanë kundërindikacione. Kërkohet konsulta me një specialist!

Informacion i pergjithshem

Fenomeni rezonanca magnetike bërthamore (NMR) u zbulua në vitin 1938 nga rabini Isaac. Fenomeni bazohet në praninë e vetive magnetike në bërthamat e atomeve. Vetëm në vitin 2003 u shpik një metodë për të përdorur këtë fenomen për qëllime diagnostikuese në mjekësi. Për shpikjen, autorët e saj morën çmimin Nobel. Në spektroskopi, trupi që studiohet ( pra trupi i pacientit) vendoset në një fushë elektromagnetike dhe rrezatohet me valë radio. Kjo është një metodë plotësisht e sigurt ( ndryshe nga, për shembull, tomografia e kompjuterizuar), i cili ka një shkallë shumë të lartë rezolucioni dhe ndjeshmërie.

Aplikimi në ekonomi dhe shkencë

1. Në kimi dhe fizikë për të identifikuar substancat që marrin pjesë në reaksion, si dhe rezultatet përfundimtare të reaksioneve,
2. Në farmakologjinë për prodhimin e barnave,
3. Në bujqësi, për të përcaktuar përbërjen kimike të grurit dhe gatishmërinë për mbjellje ( shumë i dobishëm në mbarështimin e specieve të reja),
4. Në mjekësi - për diagnostikim. Një metodë shumë informuese për diagnostikimin e sëmundjeve të shtyllës kurrizore, veçanërisht të disqeve ndërvertebrale. Bën të mundur zbulimin edhe të shkeljeve më të vogla të integritetit të diskut. Zbulon tumoret e kancerit në fazat e hershme të formimit.

Thelbi i metodës

Metoda e rezonancës magnetike bërthamore bazohet në faktin se në momentin kur trupi është në një fushë magnetike të akorduar posaçërisht shumë të fortë ( 10,000 herë më e fortë se fusha magnetike e planetit tonë), molekulat e ujit të pranishme në të gjitha qelizat e trupit formojnë zinxhirë të vendosur paralelisht me drejtimin e fushës magnetike.

Nëse ndryshoni papritur drejtimin e fushës, molekula e ujit lëshon një grimcë elektriciteti. Janë këto ngarkesa që zbulohen nga sensorët e pajisjes dhe analizohen nga një kompjuter. Në bazë të intensitetit të përqendrimit të ujit në qeliza, kompjuteri krijon një model të organit ose pjesës së trupit që studiohet.

Në dalje, mjeku ka një imazh pikturë njëngjyrëshe në të cilën mund të shihni seksione të holla të organit me shumë detaje. Për sa i përket përmbajtjes së informacionit, kjo metodë tejkalon ndjeshëm tomografinë e kompjuterizuar. Ndonjëherë jepen edhe më shumë detaje për organin që ekzaminohet sesa nevojiten për diagnozën.

Llojet e spektroskopisë së rezonancës magnetike

• Lëngjet biologjike,
• Organet e brendshme.

Teknika bën të mundur ekzaminimin në detaje të të gjitha indeve të trupit të njeriut, përfshirë ujin. Sa më shumë lëng në inde, aq më të lehta dhe më të ndritshme janë ato në foto. Kockat, në të cilat ka pak ujë, përshkruhen të errëta. Prandaj, tomografia e kompjuterizuar është më informuese në diagnostikimin e sëmundjeve të kockave.

Teknika e perfuzionit me rezonancë magnetike bën të mundur monitorimin e lëvizjes së gjakut nëpër indet e mëlçisë dhe trurit.

Sot në mjekësi emri përdoret më gjerësisht MRI (Imazhe me rezonancë magnetike ), pasi përmendja e një reaksioni bërthamor në titull i frikëson pacientët.

Indikacionet

1. Sëmundjet e trurit
2. Studimi i funksioneve të pjesëve të trurit,
3. Sëmundjet e kyçeve,
4. Sëmundjet e palcës kurrizore,
5. Sëmundjet e organeve të brendshme të zgavrës së barkut,
6. Sëmundjet e sistemit urinar dhe riprodhues,
7. Sëmundjet e mediastinumit dhe zemrës,
8. Sëmundjet vaskulare.

Kundërindikimet

Kundërindikimet absolute:
1. Pacemaker,
2. Proteza elektronike ose ferromagnetike të veshit të mesëm,
3. Aparatet Ferromagnetike Ilizarov,
4. Proteza të brendshme të mëdha metalike,
5. Kapëse hemostatike të enëve cerebrale.

Kundërindikimet relative:
1. Stimuluesit e sistemit nervor,
2. Pompat e insulinës,
3. Llojet e tjera të protezave të veshit të brendshëm,
4. Valvulat protetike të zemrës,
5. Kapëse hemostatike në organe të tjera,
6. Shtatzënia ( është e nevojshme të merret mendimi i një gjinekologu),
7. Dështimi i zemrës në fazën e dekompensimit,
8. Klaustrofobia ( frika nga hapësirat e mbyllura).

Përgatitja për studimin

Përgatitja e veçantë kërkohet vetëm për ata pacientë që i nënshtrohen ekzaminimit të organeve të brendshme ( traktit gjenitourinar dhe tretës): Nuk duhet të hani ushqim pesë orë para procedurës.
Nëse koka është duke u ekzaminuar, seksi i drejtë këshillohet të heqë përbërjen, pasi substancat që përmbahen në kozmetikë ( për shembull, në rimel), mund të ndikojë në rezultatet. Të gjitha bizhuteritë metalike duhet të hiqen.
Ndonjëherë stafi mjekësor do të kontrollojë një pacient duke përdorur një detektor metalik portativ.

Si kryhet hulumtimi?

Para fillimit të studimit, çdo pacient plotëson një pyetësor për të ndihmuar në identifikimin e kundërindikacioneve.

Pajisja është një tub i gjerë në të cilin pacienti vendoset në një pozicion horizontal. Pacienti duhet të qëndrojë plotësisht i palëvizshëm, përndryshe imazhi nuk do të jetë mjaft i qartë. Pjesa e brendshme e tubit nuk është e errët dhe ka ajrim të freskët, kështu që kushtet për procedurën janë mjaft komode. Disa instalime prodhojnë një zhurmë të dukshme, më pas personi që ekzaminohet mban kufje që thithin zhurmën.

Kohëzgjatja e ekzaminimit mund të variojë nga 15 minuta deri në 60 minuta.
Disa qendra mjekësore lejojnë një të afërm ose person shoqërues të jetë me pacientin në dhomën ku po kryhet studimi ( nëse nuk ka kundërindikacione).

Në disa qendra mjekësore, një anesteziolog jep qetësues. Në këtë rast, procedura është shumë më e lehtë për t'u toleruar, veçanërisht për pacientët që vuajnë nga klaustrofobia, fëmijët e vegjël ose pacientët të cilët, për ndonjë arsye, e kanë të vështirë të qëndrojnë të qetë. Pacienti bie në një gjendje gjumi terapeutik dhe prej tij del i pushuar dhe i gjallëruar. Barnat e përdorura eliminohen shpejt nga trupi dhe janë të sigurta për pacientin.

Rezultati i ekzaminimit është gati brenda 30 minutave pas përfundimit të procedurës. Rezultati lëshohet në formën e një DVD, raporti të mjekut dhe fotografive.

Përdorimi i agjentit të kontrastit në NMR

Më shpesh, procedura kryhet pa përdorimin e kontrastit. Megjithatë, në disa raste është e nevojshme ( për hulumtime vaskulare). Në këtë rast, agjenti i kontrastit injektohet në mënyrë intravenoze duke përdorur një kateter. Procedura është e ngjashme me çdo injeksion intravenoz. Për këtë lloj hulumtimi, përdoren substanca të veçanta - paramagnetët. Këto janë substanca magnetike të dobëta, grimcat e të cilave, duke qenë në një fushë magnetike të jashtme, magnetizohen paralelisht me linjat e fushës.

Kundërindikimet për përdorimin e mjeteve të kontrastit:

• Shtatzënia,
• Intoleranca individuale ndaj përbërësve të agjentit të kontrastit, të identifikuar më parë.

Ekzaminimi vaskular (angiografi me rezonancë magnetike)

Duke përdorur këtë metodë, ju mund të monitoroni si gjendjen e rrjetit të qarkullimit të gjakut ashtu edhe lëvizjen e gjakut nëpër enët.
Përkundër faktit se metoda bën të mundur "të parë" enët pa një agjent kontrasti, me përdorimin e saj imazhi është më i qartë.
Instalimet speciale 4-D bëjnë të mundur monitorimin e lëvizjes së gjakut pothuajse në kohë reale.

Indikacionet:

• Defektet kongjenitale të zemrës,
• Aneurizmi, diseksioni,
• Stenoza e enëve të gjakut,

Hulumtimi i trurit

Ky është një test i trurit që nuk përdor rreze radioaktive. Metoda ju lejon të shihni kockat e kafkës, por ju mund të ekzaminoni indet e buta në më shumë detaje. Një metodë e shkëlqyer diagnostike në neurokirurgji, si dhe neurologji. Bën të mundur zbulimin e pasojave të mavijosjeve dhe tronditjeve të vjetra, goditjeve në tru, si dhe neoplazive.
Zakonisht përshkruhet për gjendje të ngjashme me migrenën me etiologji të panjohur, ndërgjegje të dëmtuar, neoplazi, hematoma dhe mungesë koordinimi.

MRI e trurit ekzaminon:

• enët kryesore të qafës,
• enët e gjakut që furnizojnë trurin
• indet e trurit,
• orbitat e gropave të syrit,
• pjesët më të thella të trurit ( tru i vogël, gjëndra pineale, gjëndrra e hipofizës, seksionet e zgjatura dhe të ndërmjetme).

NMR funksionale

Kjo diagnozë bazohet në faktin se kur aktivizohet ndonjë pjesë e trurit përgjegjëse për një funksion të caktuar, qarkullimi i gjakut në atë zonë rritet.
Personit që ekzaminohet i jepen detyra të ndryshme dhe gjatë ekzekutimit të tyre regjistrohet qarkullimi i gjakut në pjesë të ndryshme të trurit. Të dhënat e marra gjatë eksperimenteve krahasohen me tomogramin e marrë gjatë periudhës së pushimit.

Ekzaminimi i shtyllës kurrizore

Kjo metodë është e shkëlqyer për të studiuar mbaresat nervore, muskujt, palcën e eshtrave dhe ligamentet, si dhe disqet ndërvertebrale. Por në rast të frakturave të shtyllës kurrizore ose nevojës për të studiuar strukturat kockore, ajo është disi inferiore ndaj tomografisë së kompjuterizuar.

Ju mund të ekzaminoni të gjithë shtyllën kurrizore, ose mund të ekzaminoni vetëm zonën e shqetësimit: qafën e mitrës, kraharorit, lumbosakral, dhe gjithashtu veçmas koksikun. Kështu, gjatë ekzaminimit të shtyllës së qafës së mitrës, mund të zbulohen patologji të enëve të gjakut dhe rruazave që ndikojnë në furnizimin me gjak të trurit.
Gjatë ekzaminimit të rajonit të mesit, mund të zbulohen hernie ndërvertebrale, thumba të kockave dhe kërcit, si dhe nerva të shtrënguar.

Indikacionet:

• Ndryshimet në formën e disqeve ndërvertebrale, duke përfshirë herniet,
• Lëndimet e shpinës dhe shtyllës kurrizore
• Osteokondroza, proceset distrofike dhe inflamatore në kocka,
• Neoplazite.

Ekzaminimi i palcës kurrizore

Ajo kryhet njëkohësisht me një ekzaminim të shtyllës kurrizore.

Indikacionet:

• Mundësia e neoplazmave të palcës kurrizore, lezioneve fokale,
• Për të kontrolluar mbushjen e zgavrave të palcës kurrizore me lëng cerebrospinal,
• Kistet e shtyllës kurrizore,
• Për të monitoruar rikuperimin pas operacionit,
• Nëse ekziston rreziku i sëmundjes së shtyllës kurrizore.

Ekzaminimi i përbashkët

Kjo metodë e hulumtimit është shumë efektive për studimin e gjendjes së indeve të buta që përbëjnë kyçin.

Përdoret për diagnostikim:

• Artriti kronik,
• Lëndimet e tendinave, muskujve dhe ligamenteve ( veçanërisht shpesh përdoret në mjekësinë sportive),
• Perelomov,
• Neoplazitë e indeve të buta dhe kockave,
• Dëmtimi nuk zbulohet nga metoda të tjera diagnostikuese.

E aplikueshme për:

• Ekzaminimi i nyjeve të hipit për osteomielit, nekrozë të kokës së femurit, frakturë stresi, artrit septik,
• Ekzaminimi i nyjeve të gjurit për fraktura të stresit, shkelje e integritetit të disa komponentëve të brendshëm ( menisk, kërc),
• Ekzaminimi i nyjës së shpatullës për dislokime, nerva të shtrënguara, këputje të kapsulës së kyçit,
• Ekzaminimi i kyçit të kyçit të dorës në rastet e paqëndrueshmërisë, frakturave të shumëfishta, bllokimit të nervit median dhe dëmtimit të ligamentit.

Ekzaminimi i artikulacionit temporomandibular

I përshkruar për të përcaktuar shkaqet e mosfunksionimit në nyje. Ky studim zbulon më plotësisht gjendjen e kërcit dhe muskujve dhe bën të mundur zbulimin e dislokimeve. Përdoret edhe para operacioneve ortodontike ose ortopedike.

Indikacionet:

• Lëvizshmëria e dëmtuar e nofullës së poshtme,
• Klikimi i tingujve kur hapet dhe mbyllet goja,
• Dhimbje në tempull gjatë hapjes dhe mbylljes së gojës,
• Dhimbje gjatë palpimit të muskujve mastikë,
• Dhimbje në muskujt e qafës dhe kokës.

Ekzaminimi i organeve të brendshme të zgavrës së barkut

Një ekzaminim i pankreasit dhe mëlçisë është përshkruar për:

• Verdhëza jo infektive,
• Probabiliteti i neoplazmës së mëlçisë, degjenerimi, abscesi, cistet, me cirrozë,
• Për të monitoruar ecurinë e trajtimit,
• Për rupturat traumatike,
• Gurët në fshikëzën e tëmthit ose në kanalet biliare,
• Pankreatiti i çdo forme,
• Probabiliteti i neoplazmave,
• Ishemia e organeve parenkimale.

Metoda ju lejon të zbuloni cistet e pankreasit dhe të ekzaminoni gjendjen e kanaleve biliare. Identifikohet çdo formacion që bllokon kanalet.

Një ekzaminim i veshkave përshkruhet kur:

• Dyshimi për një neoplazi,
• Sëmundjet e organeve dhe indeve të vendosura pranë veshkave,
• Mundësia e ndërprerjes së formimit të organeve urinare,
• Nëse është e pamundur të kryhet urografia ekskretuese.

Para ekzaminimit të organeve të brendshme duke përdorur rezonancë magnetike bërthamore, është e nevojshme të kryhet një ekzaminim me ultratinguj.

Hulumtimi për sëmundjet e sistemit riprodhues

Ekzaminimet e legenit janë të përshkruara për:

• Mundësia e një neoplazie të mitrës, fshikëzës, prostatës,
• Lëndimet,
• Neoplazitë e legenit për të zbuluar metastazat,
• Dhimbje në zonën sakrale,
• Vezikuliti,
• Për të ekzaminuar gjendjen e nyjeve limfatike.

Për kancerin e prostatës, ky ekzaminim përshkruhet për të zbuluar përhapjen e tumorit në organet e afërta.

Nuk këshillohet të urinoni një orë para testit, pasi imazhi do të jetë më informues nëse fshikëza është disi e mbushur.

Studimi gjatë shtatzënisë

Përkundër faktit se kjo metodë e hulumtimit është shumë më e sigurt se radiografia ose tomografia e kompjuterizuar, ajo rreptësisht nuk lejohet të përdoret në tremujorin e parë të shtatzënisë.
Në tremujorin e dytë dhe të tretë, metoda përshkruhet vetëm për arsye shëndetësore. Rreziku i procedurës për trupin e një gruaje shtatzënë është se gjatë procedurës disa inde nxehen, gjë që mund të shkaktojë ndryshime të padëshirueshme në formimin e fetusit.
Por përdorimi i një agjenti kontrasti gjatë shtatzënisë është rreptësisht i ndaluar në çdo fazë të shtatzënisë.

Masat paraprake

1. Disa instalime NMR janë projektuar si një tub i mbyllur. Njerëzit që vuajnë nga frika nga hapësirat e mbyllura mund të përjetojnë një sulm. Prandaj, është më mirë të pyesni paraprakisht se si do të shkojë procedura. Ka instalime të tipit të hapur. Ato janë një dhomë e ngjashme me një dhomë me rreze X, por instalime të tilla janë të rralla.

2. Ndalohet hyrja në dhomën ku ndodhet pajisja me sende metalike dhe pajisje elektronike ( p.sh orë, bizhuteri, çelësa), pasi në një fushë të fuqishme elektromagnetike, pajisjet elektronike mund të thyhen dhe objektet e vogla metalike do të fluturojnë larg. Në të njëjtën kohë, do të merren të dhëna jo plotësisht të sakta nga anketa.

Para përdorimit, duhet të konsultoheni me një specialist.

Fenomeni i rezonancës magnetike. Rezonanca paramagnetike e elektroneve (EPR)

Në paragrafin e mëparshëm, ne shqyrtuam ndarjen e linjave spektrale të lidhura me kalimet midis nënniveleve të niveleve të ndryshme të energjisë të ndarë në një fushë magnetike. Tranzicione të tilla korrespondojnë me diapazonin e frekuencës optike. Së bashku me këtë, në përafrimin e dipolit, kalimet midis nënniveleve fqinje të një niveli energjie të ndarë në një fushë magnetike janë të mundshme sipas rregullave të përzgjedhjes:

Nga formula (3.95) rrjedh se tranzicione të tilla korrespondojnë me frekuencat:

Në NË Frekuenca ~ 0,3 T v * 10 Hz, dhe gjatësia e valës X~ 3 cm Ky është diapazoni i frekuencës së mikrovalës ose diapazoni i mikrovalës. Probabiliteti i tranzicionit të dipolit është proporcional me v 3, kështu që në diapazonin e mikrovalëve është jashtëzakonisht i vogël në krahasim me probabilitetin në diapazonin optik. Për më tepër, për atomet me një elektron valence, kalimet në këtë rast janë të ndaluara nga rregulli i përzgjedhjes AL =±. Sidoqoftë, probabiliteti i tranzicioneve bëhet i rëndësishëm kur aplikohet një fushë magnetike alternative e jashtme shtesë, d.m.th., kur tranzicionet bëhen të detyruara. Nga sa vijon do të jetë e qartë se fusha magnetike e alternuar duhet të jetë pingul me fushën magnetike të palëvizshme, duke shkaktuar ndarjen e niveleve të energjisë nga Zeeman. Nëse frekuenca e fushës magnetike alternative është e barabartë me frekuencën e tranzicionit (3.101), atëherë ndodh thithja e energjisë së saj ose emetimi i stimuluar. Në këtë rast, orientimi i momentit magnetik të atomit ndryshon befas, d.m.th., projeksioni i tij në drejtimin e zgjedhur.

Emetimi ose thithja e valëve elektromagnetike kur ndryshon orientimi i momenteve të dipolit magnetik të atomeve në një fushë magnetike quhet fenomeni i rezonancës magnetike.

Një përshkrim i qëndrueshëm i rezonancës magnetike është mjaft i vështirë. Një pamje cilësore e këtij fenomeni mund të kuptohet në bazë të një modeli të thjeshtë klasik. Nëse një grimcë ka një moment magnetik M, atëherë në një fushë magnetike të jashtme konstante B 0 = (0.0, B 0) mbi të vepron një çift rrotullues K = MxB 0 . Meqenëse momentet magnetike M dhe J mekanike të një grimce (për shembull, një elektron në një atom) lidhen me relacionin:

ku y është raporti xhiromagnetik, y = gi b /h = p.sh./2m e, atëherë ekuacioni i lëvizjes mund të shkruhet si:

Ky është ekuacioni i sipërm, i cili tregon se momentet mekanike dhe magnetike prehen rreth B0. Shpejtësia këndore (frekuenca) e këtij precesioni është e barabartë me:

Në një fushë magnetike të drejtuar përgjatë boshtit z, grimca fiton energji shtesë:

Frekuenca e tranzicionit ndërmjet nënniveleve fqinje të energjisë përkon me frekuencën e precesionit:

Oriz. 3.34

Nëse shtojmë një fushë magnetike B që ndryshon me frekuencën w, pingul me fushën e palëvizshme B 0 (Fig. 3.34), atëherë një çift rrotullues i ndryshueshëm shtesë [MxB,1. Kur frekuencat e precesionit dhe fushës ndryshojnë B! janë shumë të ndryshme nga njëra-tjetra, atëherë për |B,|z, kështu që mesatarisht ky kënd nuk ndryshon. Sidoqoftë, nëse frekuenca e ndryshimit në fushën B përkon me frekuencën e precesionit (3.104), atëherë momenti magnetik duket të jetë në kushte statike dhe çift rrotullimi shtesë tenton ta "përmbys" atë. Meqenëse momenti magnetik është një vektor kuantik, projeksioni i tij në drejtimin e fushës magnetike statike mund të ndryshojë vetëm papritur, gjë që korrespondon me një kalim në nënnivelin e ndarjes ngjitur. Ky është fenomeni i rezonancës magnetike.

Nëse momentet magnetike dhe mekanike të një atomi janë për shkak të elektroneve të tij, atëherë në këtë rast rezonanca magnetike quhet rezonancë paramagnetike e elektroneve(EPR). Kur momentet përcaktohen nga bërthama e një atomi, quhet rezonancë magnetike rezonancë magnetike bërthamore(NMR), e cila u vu re për herë të parë në eksperimentet me rreze molekulare Rabi në vitin 1938. Ka edhe feromagnetike Dhe rezonanca antiferromagnetike, lidhur me ndryshimet në orientimin e momenteve magnetike elektronike në ferromagnet dhe antiferromagnet. Tjetra, le të hedhim një vështrim më të afërt në EPR.

Paramagnetizmi elektronik zotërohet nga: të gjithë atomet dhe molekulat me një numër tek elektronet (elektrone të paçiftuara, të pakompensuara) në shtresën e jashtme të elektroneve, pasi në këtë rast rrotullimi total i sistemit nuk është zero (atomet e lira të natriumit, oksidi i gaztë i azotit, etj.); atome dhe jone me një shtresë të brendshme elektronike të pambushur (elementë të tokës të rrallë, aktinide, etj.), etj. EPR është një grup fenomenesh që lidhen me tranzicionet kuantike që ndodhin midis niveleve energjetike të sistemeve makroskopike nën ndikimin e një fushe magnetike alternative të frekuencës rezonante .

Fenomeni EPR u vëzhgua për herë të parë eksperimentalisht nga E.K. Zavoisky në vitin 1944. EPR shërben si një mjet i fuqishëm për studimin e vetive të substancave paramagnetike në sasi makroskopike. Në këtë rast, nuk ka një, por shumë grimca me momente magnetike. Karakteristika magnetike makroskopike e një substance është vektori i magnetizimit 1 = , ku N- numri i grimcave për njësi

vëllimi i substancës; - Momenti mesatar magnetik i grimcave. Sistemi i momenteve të të gjitha grimcave paramagnetike të një substance të caktuar quhet sistem spin. Shkallët e mbetura të lirisë së paramagnetikës - mjedisi i momenteve magnetike - quhen "grilë". Në këtë drejtim konsiderohen dy lloje të ndërveprimit: momentet magnetike ndërmjet tyre (ndërveprimi spin-spin) dhe momentet magnetike me rrethinën e tyre (ndërveprimi spin-rrjete). Në një sistem rrotullimi të izoluar, nuk ka thithje stacionare të energjisë së fushës alternative. Në fakt, përpara se të ndizni fushën magnetike alternative, numri i grimcave në gjendjen bazë është më i madh se numri i tyre N 2 në gjendje të emocionuar. Kur energjia absorbohet, numri i grimcave JV zvogëlohet, dhe numri N 2 rritet. Kjo do të ndodhë deri në N] Dhe N 2 nuk do të jetë e barabartë. Pastaj arrihet ngopja dhe thithja e mëtejshme e energjisë ndalon. Duke marrë parasysh ndërveprimin e sistemit të rrotullimit me rrjetën, bëhet i mundur thithja e palëvizshme e energjisë. Grila shërben si një lavaman energjie dhe nxehet gjatë procesit.

Ndryshimi në vektorin e magnetizimit përshkruhet nga ekuacioni i Bloch:

ku a = (x,y,z)' t y - raporti xhiromagnetik; 1 0 - vlera e ekuilibrit të vektorit të magnetizimit në një fushë magnetike konstante në 0 =(0.0, B 0); t x - koha e relaksimit spin-spin (ose tërthore), t x =t y=t 2; t z - koha e rrjetës rrotulluese (ose gjatësore).

relaksim, t^ = t,. Vlerat e m dhe m 2 varen nga karakteristikat e ndërveprimit të secilës grimcë me grimcat që e rrethojnë. Përcaktimi i këtyre kohërave të relaksimit është detyra kryesore eksperimentale e metodës së rezonancës magnetike. Në barazimin.

(3.106) termi i parë shkruhet me analogji me ekuacionin e lëvizjes së një momenti të vetëm magnetik (3.103). Termi i dytë është për shkak të ndërveprimeve spin-spin dhe spin-grilë, të cilat përcaktojnë nëse sistemi arrin një gjendje ekuilibri.

Fuqia e rrezatimit /(ω) e absorbuar nga një substancë paramagnetike llogaritet duke përdorur ekuacionin (3.106). Përcaktohet nga formula

Ku A- disa shumëzues; NË ]- amplituda e fushës magnetike alternative. Forma e kurbës së përthithjes përcaktohet nga funksioni

ku o) 0 është frekuenca e precesionit, o) 0 =у# 0.

Kjo tregon se përthithja është e natyrës rezonante (Fig. 3.35). Kurba e përthithjes ka një formë Lorenciane dhe arrin një maksimum në rezonancë: co=co 0. Gjerësia e linjës së absorbimit:

Në një fushë magnetike mjaft të dobët me frekuencë të lartë, gjerësia e kurbës së përthithjes përcaktohet nga koha e relaksimit të rrotullimit-spin. Ndërsa kjo fushë rritet, linja e përthithjes zgjerohet. Gjerësia e kurbës së përthithjes përcakton kohët e relaksimit, të cilat lidhen me vetitë e substancës. Për të arritur rezonancën eksperimentalisht, rezulton të jetë më e përshtatshme të ndryshohet jo frekuenca e fushës magnetike alternative, por frekuenca e precesionit duke ndryshuar fushën magnetike konstante.

Në Fig. Figura 3.36 tregon një nga diagramet e thjeshta të një radio spektroskopi për vëzhgimin e EPR - një radio spektroskop me një urë valësh. Ai përmban një burim të qëndrueshëm të rrezatimit RF - një klystron, një rezonator të kavitetit të sintonizueshëm me kampionin në studim dhe një sistem matës për zbulimin, përforcimin dhe treguesin e sinjalit. Energjia e klistronit shkon gjysma në krahun e rezonatorit që përmban kampionin në studim dhe gjysma në krahun tjetër në ngarkesën e përputhur. Duke rregulluar vidën, mund të balanconi urën. Nëse më pas ndryshoni fushën magnetike konstante duke përdorur mbështjellje modulimi, atëherë në rezonancë thithja e energjisë e mostrës rritet ndjeshëm, gjë që çon në çekuilibër të urës. Pastaj, pas përforcimit të sinjalit, oshiloskopi shkruan një kurbë rezonance.

Metoda EPR është shumë e ndjeshme. Kjo ju lejon të matni kohët e relaksimit, momentet magnetike bërthamore, të bëni një analizë sasiore të çdo substance paramagnetike deri në 10 -12 g substancë dhe të përcaktoni strukturën e përbërjeve kimike.

konfigurimet elektronike, matin fuqinë e dobët të fushës magnetike deri në 79.6 A/m, etj.

Le të tregojmë se si mund të llogarisim fuqinë e rrezatimit të përthithur nga një substancë paramagnetike (3.107). Le të imagjinojmë një fushë magnetike të alternuar që rrotullohet në drejtim të akrepave të orës (në drejtim të precesionit të momentit magnetik) në formë komplekse:

B(t)== 2?,coso)/-/"#, sinw/ = 2? u +iBly. Ju gjithashtu mund të hyni

vektor kompleks magnetizimi /(/)= / dhe +I (9 që lidhet me vektorin kompleks të fushës magnetike alternative me relacionin / = x(o>)R, ku x(w) është ndjeshmëria komplekse magnetike. Ky relacion futet në mënyrë të ngjashme me rastin statik, kur fusha magnetike B Q konstante: / 0 = x 0 ? 0, ku %o~ ndjeshmëria statike magnetike.Nga ekuacionet e Bloch (3.106) marrim

Në gjendje të qëndrueshme kemi: - = -/o)/, -- = 0. Pastaj nga

sistemi (3.110) ndjek sistemin e ekuacioneve:

Zgjidhja për këtë sistem:

Fuqia mesatare e absorbuar gjatë periudhës së fushës mund të llogaritet duke përdorur formulën

Nga kjo rrjedh se fuqia e absorbuar përcaktohet nga pjesa imagjinare e ndjeshmërisë komplekse magnetike.

Shumë rezultate themelore janë marrë duke përdorur metodën e rezonancës magnetike. Në veçanti, u mat momenti anomal magnetik i elektronit. Doli që momenti magnetik spin i një elektroni nuk është saktësisht i barabartë me një magneton Bohr, d.m.th. për një elektron raporti xhiromagnetik g e ^2. Kjo tashmë është diskutuar në §2.7. Është matur edhe momenti magnetik i neutronit etj.Në bazë të kësaj metode është krijuar frekuenca e rrezeve atomike dhe standardi kohor - atomikron duke përdorur një rreze atomesh ceziumi Cs 133

1. Jonit të lirë Cu 2+ i mungon një elektron në shtresën 3d. Përcaktoni frekuencën e rezonancës paramagnetike në një fushë magnetike prej 421,88-10 3 A/m.

Zgjidhje. Gjendje tokësore - /)-state (L= 2) me rrotullim 5= 1/2. Sipas rregullit të Hundit, numri /= L+ 5 = 5/2. Në mungesë të një fushe magnetike, ky nivel nuk ndahet me një faktor degjenerimi prej (25+ 1)(2Z.+ 1) = 10. Në një fushë magnetike konstante, niveli ndahet në 2/+ 1 = 6 nënnivele . Faktori Lande g=6/5. Frekuenca e rezonancës paramagnetike përcaktohet me formulën (3.101).

REZONANCA MAGNETIKE Bërthamore

REZONANCA MAGNETIKE Bërthamore
.

NMR lind për shkak të kuantit. kalimet e bërthamave të shkaktuara nga fusha e radiofrekuencës H1, nga energjitë më të ulëta. nivele në ato më të larta. Tranzicionet shoqërohen me thithjen e magnetizmit elektrik. energji. Fusha H1 mund të polarizohet në mënyrë lineare, mund të zbërthehet në 2 fusha të polarizuara të kundërta në një rreth, njëra prej të cilave do të ngacmojë NMR. Frekuenca e tranzicionit duhet të plotësojë kushtin:

.

ku DMI është diferenca në mag. kuantike. numri i niveleve (NMR intensive vërehet në DMI=1). NMR u vëzhgua për herë të parë nga Amer. fizikani I. A. Rabi në 1937 mbi bërthamat e izoluara në rrezet molekulare dhe atomike. Në vitin 1946, E. Purcell dhe F. Bloch (SHBA) dhe bashkëpunëtorët zhvilluan metoda për vëzhgimin e NMR në lëndën e kondensuar ku ka helm. ndërveprojnë me njëri-tjetrin dhe me mjedisin. Këto dy lloje efektesh rivendosen në kampion (bërthamat sipas niveleve të energjisë) të trazuara nga fusha H1, dhe kështu bëjnë të mundur vëzhgimin e përthithjes rezonante në një mjedis të kondensuar. Relaksimi. të lidhura me proceset e vendosjes dhe shkatërrimit të helmit. magnetizimi M. Precesimi në një fushë të fortë H0 magnetike. momentet m kanë si përgjatë H0 ashtu edhe pingul me të. Shumat e të dyjave për njësi. Vëllimi i substancës përcaktohet nga helmi gjatësor (Mz) dhe tërthor (Mx dhe My). magnetizimi.

Ndërveprimi i rrotullimeve me njëri-tjetrin (ndërveprimi spin-spin) nuk mund të ndryshojë energjinë totale të tyre dhe të ndikojë në vendosjen e vlerës së Mz. Për të ndryshuar Mz, është e nevojshme të shkëmbeni energjinë e rrotullimeve me mjedisin (brenda rezolucionit). Mx dhe Mu, përkundrazi, ndryshojnë për shkak të efektit spin-spin dhe (në rastin ideal) nuk varen nga efekti spin-grilë. Normat e ndryshimit të Mz, Mx dhe My karakterizohen nga kohët e relaksimit gjatësor T1 dhe T2 tërthor. Në lëngje, T1 dhe T2 zakonisht janë afër njëri-tjetrit. Kristalizimi çon në mjete. një rënie në T2 (proceset e relaksimit shoqërohen me karakteristikat e lëvizjes molekulare). Në kristalet e pastra diamagnetike T1 arrin një vlerë prej disa. orë për shkak të vogëlësisë së fushave intrakristalore dhe veçorive të modulimit të këtyre fushave nga vibrimet termike. Papastërtitë paramagnetike çojnë në një rënie të mprehtë të T1 për shkak të veprimit të magneteve. fushat e joneve të papastërtive; për tretësirat e lëngshme paramagnetike T1-10-3-10-4 s dhe varet nga përqendrimi i molekulave paramagnetike. Relaksimi. proceset në metale përcaktohen kryesisht nga magnetizmi. ndikimi i elektroneve dhe bërthamave përçuese. T1 e përcaktuar me këtë ka vlera nga ms në dhjetëra s në një temperaturë prej 1-10 K; kjo varet nga temperatura dhe pastërtia e mostrës.

Linja NMR ka një formë Lorenciane, e përcaktuar kryesisht nga bashkimi spin-spin, dhe një gjerësi Dw proporcionale me. 1/T2 Te kristalet, efekti spin-spin i bërthamave është zakonisht aq i madh sa vija ndahet në disa. komponent. Forma e linjës ndikohet nga energjia elektrike. bërthamat që ndërveprojnë me intrakristalin. elektrike fushë. Në molekulat komplekse, bërthamat identike të atomeve që zënë pozicione jo ekuivalente përbëhen nga një numër linjash. Për shembull, 6 atome hidrogjeni të alkoolit etilik shkaktojnë shfaqjen e 3 linjave (Fig. 3), distanca ndërmjet të cilave është dukshëm më e madhe se gjerësia e linjave (në një frekuencë prej 40 MHz dhe H0 = 9350 Oe, kjo distancë është dH = 24 Oe). Kjo e ashtuquajtura kimi. , lind si pasojë e zbërthimit. ndikimi i elektroneve të atomeve joekuivalente me fushën H0.

.

Oriz. 3. Spektri NMR i protoneve në alkoolin e pastër etilik. Ndarja e linjave të rezonancës së grupeve OH, CH2, CH3 është për shkak të ndërveprimit indirekt spin-spin.

Kimik. Zhvendosja na lejon të gjykojmë strukturën e molekulave të substancës. Spektrat NMR janë të komplikuara për shkak të të ashtuquajturit. veprimi indirekt spin-spin i bërthamave, i kryer përmes rrotullimit dhe momenteve orbitale të elektroneve. Në metale, si rezultat i bashkëveprimit të elektroneve përçuese me bërthamat, ndodh zhvendosja e frekuencës (me dv i g N a i t a).

NMR vërehet duke përdorur spektroskopët e radios (NMR). Një kampion i substancës në studim vendoset si bërthamë në bobinën e një qarku gjenerues (fusha H1), e vendosur në hendekun e një magneti që krijon një fushë H0 në mënyrë që H1^HO (Fig. 4). Në w=w0, ndodh thithja rezonante, e cila shkakton një rënie të tensionit në qarkun në të cilin spiralja me mostrën përfshihet në qark.

.

Oriz. 4. Diagrami i një spektroskopi NMR: 1 - spirale me një kampion; 2 - polet magnetike; 3 - gjenerator HF; 4 - përforcues dhe detektor; 5 - gjenerator i tensionit modulues; 6 - Bobinat e modulimit të fushës H0.

Rënia e tensionit zbulohet, përforcohet dhe futet në fshirjen e një oshiloskopi. Fusha H0 modulohet në mënyrë që të ndryshojë me disa. E me një frekuencë nga 50 Hz në 1 kHz. E njëjta frekuencë përdoret nga një oshiloskop horizontal. Thithja përsëritet dy herë në ekran. Pajisjet e përdorura për studime të llojeve të ndryshme. Efektet delikate të NMR, më e komplikuar, është e pajisur me automatik. pajisje për regjistrimin e spektrave etj.

NMR si një metodë për studimin e bërthamave, atomeve dhe molekulave ka marrë aplikime të shumta në fizikë, kimi, biologji dhe teknologji. Mekanike, elektrike. dhe mag. vetitë e shumë bërthamave, janë përcaktuar veti të caktuara fizike (me saktësi të lartë). konstante, janë marrë të dhëna për vetitë e substancave në lëng dhe në kristale. gjendjet, strukturën e molekulave, metalet, sjelljen e substancave në organizmat e gjallë etj. Bazuar në NMR, janë zhvilluar metoda për matjen e fuqisë së fushës magnetike. fushat (shih MAGNETOMETER), metodat për monitorimin e përparimit të kimikateve. reagimet etj.

Fjalor enciklopedik fizik. - M.: Enciklopedia Sovjetike. . 1983 .

REZONANCA MAGNETIKE Bërthamore

(NMR) - thithja e rezonancës së el.-magn. energjisë në substanca për shkak të paramagnetizmi bërthamor; rast i veçantë rezonancë magnetike. NMR u zbulua nga F. Bloch dhe E. Purcell (E. Purcell, E. Purcell) (SHBA) në vitin 1946. NMR vërehet në një postim të fortë. mag. fushë N 0 . në të njëjtën kohë ekspozimi i kampionit ndaj një magneti të dobët të radiofrekuencës. fushë pingul N 0 . NMR është për shkak të pranisë së rrotullimeve në bërthama I , momentet përkatëse të numrit të lëvizjes J =I përfytyroj. momente

Ja ku jam - xhiromagn. raporti bërthamor; g I - spektroskopik i faktorit bërthamor. ndarja ( shumëzuesi Lande), që kanë kuptime të ndryshme për diff. bërthama; b= e/ 2Znj- magnetoni bërthamor ( M- masa bërthamore), abs. pothuajse 10 3 herë më i vogël në magnitudë magneton Bora. Rrotullimet e bërthamave me numër masiv tek A(numri i përgjithshëm i protoneve dhe neutroneve), kanë vlera gjysmë të plota që janë shumëfish të 1/2 . Bërthama me madje A ose nuk keni fare rrotullim ( I=0), nëse ngarkesa Z (numri i protoneve) është çift, ose ka vlera të rrotullimit me numra të plotë (1, 2, 3, etj.).

Përshkrimi teorik. Në përputhje me klasiken përfaqësime, postë ndërveprimi. mag. fusha N 0 s magnetike rrotullimi i bërthamës mçon në precesion të kësaj të fundit rreth N 0 . me frekuencë

Frekuenca rezonante w 0 varet nga g i; për protonet në H 0 = 10 4 . E v 0 = w 0 /2p=42,577 MHz. Për bërthamat e tjera në të njëjtën fushë magnetike. fushën e vlerës v 0 janë në intervalin 110 MHz. Radiofrekuenca magnetike fusha e frekuencës w 0 pingul N 0 , shkakton një ndryshim në këndin e precesionit, d.m.th., ndryshon madhësinë e projeksionit të magnetit bërthamor. moment në drejtim të fushës N 0 . Kjo shoqërohet me thithjen rezonante të magnetizmit elektrik. energji dhe zbulohet nga shfaqja e emf-it të induktuar në bobinën që rrethon kampionin. Ndryshim. bërthamat karakterizohen nga vlera të ndryshme të w 0, gjë që lejon identifikimin e tyre. Megjithatë, për shkak të faktit se është i dobët (10 5 10 8 herë më i dobët se paramagnetizmi elektronik), NMR mund të vërehet vetëm në mostrat me një numër të madh bërthamash në studim (zakonisht 10 16) dhe me ndihmën e instrumenteve shumë të ndjeshme. dhe pajisje speciale. teknikat.

Sipas teorisë kuantike, në terren N Kuantizohen 0 gjendje të rrotullimit bërthamor, d.m.th., projeksioni i tij T, drejtimi i fushës mund të marrë vetëm njërën nga vlerat: + I, + (I-1), ..., -I. Në rastin më të thjeshtë të bërthamave të izoluara, jo bashkëvepruese, ndërveprimi i fushave të tyre magnetike. momente m me fushë është përshkruar nga Hamiltonian, e duhur. vlerat e të cilave karakterizojnë sistemin 2 Unë+ 1 energji në distancë të barabartë nivelet (Fig. 1):

Distanca midis tyre . Variabli el.-magn. fusha mund të shkaktojë kalime ndërmjet këtyre niveleve sipas rregullave të përzgjedhjes D m une= + 1.

Oriz. 1. Diagrami i niveleve të energjisë së protonit në fushë magnetike ( I= 1 / 2).

Prandaj, në prani të një magneti lëkundës tërthor. fushë që plotëson kushtin e rezonancës, ndodh thithja magnetike e elektroneve. energji:

Nga shprehja (4) është e qartë se frekuenca rezonante w 0 na lejon të përcaktojmë g i, g Unë dhe, për rrjedhojë, identifikojmë bërthamat në studim.

Proceset e relaksimit. Gjerësia e vijës. Rreth përthithjes së energjisë elektrike-magnetike. fushat gjatë kalimeve rezonante mund të thuhet nëse numri i kalimeve të induktuara nga poshtë. niveli në atë të sipërm tejkalon numrin e kalimeve në drejtim të kundërt. Në ekuilibër termik, më i ulët niveli është më i populluar se ai i sipërm, në përputhje me Shpërndarja Boltzmann:

Këtu T- temp-pa; ; N 1 , N 2 - popullsia më e ulët dhe lart. nivelet. Me ekspozim të vazhdueshëm ndaj një fushe rezonante radiofrekuence me madhësi N 1 dhe N 2 mund të nivelizohet dhe thithja rezonante mund të ndalet (d.m.th. do të ndodhë ngopja).

Megjithatë, së bashku me barazimin e popullatave të nivelit, relaksimi ndodh gjatë thithjes së energjisë rezonante. proceset e bashkëveprimit të një sistemi spin me të gjithë grupin e grimcave që e rrethojnë, të cilat kanë të gjitha shkallët e lirisë së lëvizjes, përveç atij spin, me atome kristalore. rrjeta, me grimca lëngu ose gazi, etj. Ato shoqërohen me kalime jo-rrezatuese (relaksuese) midis të ndryshmeve gjendjet e bërthamave. Ndërveprimi spin-fonon për shkak të jetëgjatësisë së fundme t 1 të gjendjes së ngacmuar të bërthamës, ajo çon në turbullim të energjisë. nivelet e kernelit (shih Gjerësia e nivelit) dhe në ndryshimin e energjisë së sistemit të rrotullimit në fushë N 0 , gjatësore e përcaktuar (përgjatë N 0) komponenti i projeksionit magnetik. moment. Prandaj quhet t 1. KOHA E RELAKSIMIT GJESOR. Mjegullimi i niveleve, nga ana tjetër, çon në të ashtuquajturat. zgjerim uniform i linjës së spektrit NMR, proporcional me t 1 -1.

Në lëndët e ngurta dhe të lëngshme, proceset ndërveprimi spin-spin bërthamat. Ata thërrasin të afërmit. ndryshimet në energjinë e gjendjeve të rrotullimit (d.m.th., ato shkaktojnë njollosje të nivelit) pa ndryshuar jetëgjatësinë e gjendjes. Energjia totale e të gjithë sistemit të rrotullimit nuk ndryshon. S p i n -s p i n o v a i r l a c k s i a s i karakterizohet nga koha t 2 . Një shembull i ndërveprimeve spin-spin është magneti i drejtpërdrejtë. ndërveprimi dipol-dipol mag. momentet e bërthamave fqinje në kristalore. hekura. Secili prej dy dipoleve identike ndërvepruese krijon në vendndodhjen e tjetrit (në distancë r ) magnet lokal. fushë N lok . Fusha totale që vepron në një magnet bërthamor. momenti përcaktohet nga shuma H 0 + H lok , si dhe komponenti i ndryshueshëm tërthor H (t)fusha e krijuar nga projeksioni i fushës magnetike. momenti i dipolit fqinj paraprirës. AC fushë tërthore H (t) do të veprojë si një fushë radiofrekuence, duke çuar në relaksim (me kohën t 2) të komponentit tërthor të vektorit magnetik. moment (prandaj edhe termi "koha e relaksimit tërthor"). Spin-spin gjithashtu çon në zgjerimin e vijës spektrale. Në rastin e ndërveprimit dipol-dipol, fusha lokale (si dhe fusha johomogjene mbi mostrën N 0) shkakton të ashtuquajturat zgjerimi jo uniform dhe relaksimi tërthor, i karakterizuar nga koha t2, e zgjeron linjën në mënyrë jo të njëtrajtshme. Në elektrike jopërçuese trupat e ngurtë dhe gjysmëpërçuesit zakonisht t 1 >> t 2 . Vlerat e t 1 shtrihen brenda një diapazoni të gjerë nga 10 -4 s për zgjidhjet paramagnetike. kripëra deri në disa orë për diamagn të pastër. kristalet. Vlerat e t 2 variojnë nga 10 -4 s për kristalet në disa s për ato diamagnetike. lëngjeve.

Një vijë spektrale e zgjeruar në mënyrë uniforme përshkruhet nga një kurbë Lorentz, e cila karakterizon oshilatorët e amortizuar (Fig. 2, A):

ku D v= (2pt 2) -1 . Gjysma e gjerësisë së vijës është 2/t 2. Në trupat e ngurtë, ku ndërveprimet dipol-dipol mund të përfaqësohen si një grup dekomp. eff lokale. mag. fushat, mund të përshkruhen nga kurba e G a u s a (Fig. 2,b):

Këtu v 2 > - devijimi standard, ose i ashtuquajturi. momenti i dytë Në lëngjet dhe gazrat, bërthamat termike janë mesatarisht dipole dhe disa lloje të tjera ndërveprimesh. Linjat spektrale janë ngushtuar në fraksione të një Hz (kjo zonë e hulumtimit të NMR quhet spektroskopi me rezolucion të lartë). Në kristale, gjerësia e linjës NMR përcaktohet nga madhësia e fushave të fushave paramagnetike fqinje të palëvizshme. bërthamat. Linjat kanë një gjerësi prej 10 2 -10 3 Hz dhe një formë Gaussian. Teoria lejon nga analiza e formës dhe këndit. varësitë (këndi ndërmjet fushës N 0 dhe kristalografike. drejtimet) të spektrit NMR të një kristali të vetëm për të përcaktuar distancën ndërmjet paramagnetikës. bërthamat, këndet ndërmjet lidhjeve të tyre valore, natyra e atomeve përreth, etj.

Oriz. 2. Forma e vijave spektrale: A- Lorentseva, b- Gausian.

Shkrirja e kristalit shoqërohet me një ngushtim të linjave spektrale NMR për shkak të lëvizjes termike që mesatarizon fushën magnetike. ndërveprimi i bërthamave dhe përzierja e tyre me difuzion. Ngushtimi i vijave spektrale manifestohet dukshëm kur frekuenca e kërcimeve paramagnetike. atom ~ 10 4 Hz. Metoda NMR përdoret për të studiuar lëvizshmërinë e difuzionit të atomeve në përçuesit superjonikë ose elektrolitet e ngurtë.

Kohët e relaksimit, gjerësia dhe forma e linjave NMR ndikohen nga ndërveprimi i energjisë elektrike. Momenti katërpolësh i bërthamës (në Unë> 1 / 2 ), që karakterizon josfericitetin e bërthamave, me elektrike lokale. fushë në kristal. Ndërveprimi katërpolësh mund të shkaktojë ndarje të magnezit. nënnivele të bërthamave, të krahasueshme në madhësi dhe madje më të larta se ndarja në magnez. fushë. Në veçanti, pothuajse të gjitha përbërjet A III B V kanë rrotullime të mëdha bërthamore I dhe bërthamat e tyre e kanë atë mjet. momente katërpolëshe. Shfaqja e efekteve katërpolëshe bërthamore është veçanërisht e dukshme kur ndërveprohet me një ngarkesë. papastërtitë ose defektet në gjysmëpërçues.

Ndikimi i elektroneve. NË gjysmëpërçues të dopuar shumë Mund të shfaqen efekte NMR karakteristike të metaleve, në veçanti një zhvendosje e frekuencave rezonante (Night Shift). Kjo zhvendosje është për faktin se në ext. fushë N 0 elektrone përçueshmërie krijojnë DC në vendndodhjen e bërthamës. mag. një fushë që zhvendos frekuencën rezonante w 0 (zakonisht duke e rritur atë në krahasim me një gjysmëpërçues që ka një përqendrim të ulët të bartësve të ngarkesës së lirë).

Predha elektronike mbrojtëse e atomit gjithashtu çon në një zhvendosje në frekuencën rezonante (zhvendosje kimike). Magn. fushë N 0 shkakton rryma elektronike në shtresën elektronike të atomit, duke krijuar rryma plotësuese. fushë në bërthama, e kundërta me atë të jashtme. fushë. Ky ndryshim është proporcional N 0 dhe është 10 -3 10 -6 nga H 0 . Kimik. ndërrimi është më i vogël se ndërrimi i kalorësit dhe shenja e tij është e kundërt. Kimik. zhvendosja varet nga struktura e predhave elektronike dhe natyra e kimikatit. lidhjet, gjë që bën të mundur gjykimin e strukturës së molekulave ose komplekseve të papastërtive nga madhësia e zhvendosjes.

Duke marrë parasysh faktorët e listuar të sistemit paramagnetik. bërthamat në një trup të ngurtë mund të përfaqësohen në formë

Këtu është operatori i ndërveprimit me magnetin. fushë (termi Zeeman), -Hamiltoniani i ndërveprimeve spin (dipol-dipol), -Hamiltoniani i ndërveprimeve katërpolëshe, -kim. ndërrim, -Ndërrim kalorësi.

Metodat eksperimentale. NMR vërehet duke ndryshuar ose H 0 (metoda stacionare), e cila është teknikisht më e përshtatshme, ose frekuenca AC. fushat (metoda e pulsit). Për të vëzhguar NMR duke përdorur një metodë stacionare, është e nevojshme të krijohet një magnet. një fushë me një shkallë të lartë homogjeniteti, vlera e së cilës N 0 mund të ndryshohet pa probleme. Mostra vendoset në induksion. spirale midis poleve të një magneti. Bobina përdoret gjithashtu për të ngacmuar një fushë radiofrekuence H 1 , dhe për të regjistruar ndryshimet në rezistencën AC. rryma, të cilat ndodhin në momentin e rezonancës [qarku Purcell (Purcell)]. Sipas skemës Bloch, një seksion i veçantë është i vendosur pingul me spiralen me mostrën. spirale marrëse. Shpejtësia e kalimit përmes rezonancës në metodën stacionare zgjidhet të jetë më e vogël se shpejtësia e relaksimit. proceset. Kur ndodh rezonanca në spirale, ndodh induksioni i radiofrekuencës. një sinjal që përmban komponentë që ndryshojnë në fazë me 90° dhe janë në proporcion me shpërndarjen dhe thithjen e valëve elektrike. energjia (i ashtuquajturi sinjali i dispersionit dhe sinjali i absorbimit). Zakonisht regjistrohet sinjali i përthithjes, gjë që bën të mundur përmirësimin e rezolucionit të linjave spektrale të afërta. Për të zbuluar sinjale të dobëta, përdoren qarqet e urës dhe fusha sinkrone në frekuencën e modulimit N 0 e ndjekur nga amplifikimi. Sinjali regjistrohet nga një regjistrues ose oshiloskop.

Metodat stacionare NMR janë relativisht të thjeshta dhe të besueshme, dhe janë në thelb të besueshme. interpretimi i paqartë i rezultateve. Sidoqoftë, kur studiohen linjat e gjera NMR në trupat e ngurtë, më shumë informacion rreth mekanizmave të ndërveprimeve bërthamore mund të merren duke përdorur metoda pulsuese (jo stacionare) duke përdorur transformimet Fourier. Përdorimi i këtyre metodave NMR është për shkak të mundësisë së mesatarizimit të ndërveprimeve të caktuara dhe ngushtimit të linjave të gjera, megjithëse disa ndërveprime mund të mesatarizohen pa përdorur, për shembull, modalitetin e pulsit. për shkak të mesatares së lëvizjeve të bërthamave në hapësirën koordinative. Hamiltoniani i ndërveprimit dipol-dipol spin përmban një faktor (1-3 cos 2 q ij), ku q është këndi ndërmjet drejtimit N 0 . dhe vektori i rrezes që lidh rrotullimet e bërthamave I . Ky faktor shkon në 0 në këndin q ij= arccos (1/. 54°44", pra, rrotullimi i shpejtë i kampionit (deri në 10 5 rpm) në një kënd q mesatarizon një pjesë të Hamiltonianit të ndërveprimit dipol-dipol në kristalin e vetëm dhe çon në një ngushtim të vijën spektrale.

Mesatarja e ndërveprimeve të rrotullimit gjatë përdorimit të metodës NMR pulsuese ndodh për shkak të "përplasjes" së rrotullimeve të bërthamave, të cilat praktikisht nuk lëvizin nga nyjet e një kristali të palëvizshëm. Zbatimi i një sekuence të impulseve të fushës së radiofrekuencës N 1 me një kohëzgjatje më të shkurtër se koha e relaksimit të rrotullimit t 2, bën të mundur kryerjen e mesatares selektive të ndërveprimeve të caktuara dhe studimin e reaksioneve kimike. zhvendosja dhe natyra e lidhjeve ndëratomike në kristale.

Metodat NMR përdoren gjerësisht në lëndën organike. kimia për të studiuar strukturën dhe përbërjen e kimikateve. komponimet, si dhe në studimin e dinamikës dhe mekanizmave të kimikateve të caktuara. reagimet. Spektrat e linjave të ngushta NMR karakterizohen nga kimike. zhvendosjet e grupeve të vijave, struktura e tyre (numri i vijave në një grup) dhe intensiteti i përthithjes, në përpjesëtim me përqendrimin e atomeve në studim në një mjedis të caktuar. Kështu, nga spektri NMR është e mundur të përcaktohet lloji dhe vendndodhja e atomeve që rrethojnë materialin paramagnetik. bërthama, struktura elektronike dhe natyra e ndërveprimeve intramolekulare. Paramagnetike bërthama e hidrogjenit e përfshirë në dekompozim. organike , ka më së shumti madhësia e një mag. moment në krahasim me bërthamat e tjera dhe është një objekt i përshtatshëm për vëzhgimin e NMR (rezonancë magnetike protonike, PMR). Vlerat kimike zhvendosjet e linjave të ngushta PMR në dekompozim. komplekset dhe komponimet bëjnë të mundur marrjen, për shembull, informacion rreth natyrës së lidhjeve hidrogjenore. Për organike komponimet ekzistojnë tabela dhe diagrame të kimikateve. hidrogjeni zhvendoset në dekompozim. molekulat Së bashku me protonet si paramagnetike sondat në kimi bërthamat 19 F, 14 N, 15 N, 31 P, 13 C, 29 Si mund të përdoren në komponime.

Në trupat e ngurtë, për shkak të mungesës së mesatares së ndërveprimeve spin-spin, vërehen linja të gjera NMR. Kur studioni NMR në metale, madhësia e zhvendosjes së Knight mund të përdoret për të përcaktuar magnezin. ndjeshmëria c s dhe elektroni në bërthamën në studim. Zhvendosjet e kalorësve janë studiuar gjithashtu në metale të lëngëta (me vija të ngushta NMR) dhe superpërçues të tipit I dhe II.

Në kristalet jonike të dielektrikëve me një numër të vogël elektronesh të lira, mund të shfaqen reaksione kimike. Zhvendosja e linjës spektrale NMR. Megjithatë, për shkak të gjerësisë së madhe të linjës spektrale në metodat kimike stacionare NMR. ndërrimet janë të vështira për t'u përcaktuar dhe teknikat e NMR pulsuese zakonisht përdoren për t'i studiuar ato.

Aplikimet e NMR në kërkimin gjysmëpërçues. Matja e varësisë së kohës së relaksimit të rrjetës spin nga bërthamat e izotopit 29 Si të silikonit me një spin të ndryshëm nga O nga përqendrimi i elektroneve dhe vrimave në gjysmëpërçues, si dhe nga shkalla e kompensimit të tij, bën të mundur. për të verifikuar teorinë modelet e relaksimit proceset dhe veçoritë e tyre në gjysmëpërçuesit elektronikë ( n) dhe vrima ( R) llojet e përcjellshmërisë. Bazuar në ndryshimin e natyrës së relaksimit të rrjetës rrotulluese në 29 bërthama Si dhe shfaqjes së ndërrimit të kalorësit me përqendrimin e transportuesve të ngarkesës n= 4. 10 18 cm -3 mund të vendosni një kalim nga gjysmëpërçues në metal. lloji i përçueshmërisë, si dhe natyra e këtij tranzicioni. Studime të ngjashme u kryen në 73 bërthama Gjenerale ( I 0) në kristalet e vetme të germaniumit. Bërthamat e të gjithë elementëve që formojnë një rrjetë të përbërjeve A III B V, me përjashtim të P ( I= 1/2), kanë momente katërpolëshe P 0. Kjo manifestohet edhe në varësitë nga temperatura e relaksimit. karakteristikat, veçanërisht në përshpejtimin e relaksimit të rrjetës rrotulluese për shkak të efekteve katërpolëshe.

Kimik. Sa më i madh të jetë numri i elektroneve në shtresën e një atomi dhe sa më i ulët të jetë eff, aq më i madh është zhvendosja. ngarkesa e predhave të atomeve fqinje në një kristal. Naib. janë studiuar komponimet A III B V, në të cilat kimike. ndërrimi arrin 10 2 -10 3 ppm nga N 0 . Vlerat kimike zhvendosjet në bërthamat 11 V, 31 P, 71 Ga, 115 In, 121 Sb lidhen me vlerat e eff. ngarkesa e bërthamave fqinje.

NMR përdoret gjithashtu për të studiuar adsorbimin e gazeve dhe lëngjeve në sipërfaqen e gjysmëpërçuesve. Adsorbimi paramagnetik bërthamat zvogëlojnë rrotullimet bërthamore të fazës së lëngët ose të gaztë, gjë që çon në një ndryshim në gjerësinë e vijës spektrale NMR. Adsorbimi gjithashtu ndikon në kohën e relaksimit të rrotullimit dhe rrotullimit të rrjetës.

Madhësia e bashkëveprimit dipol-dipol është paramagnetike. bërthamat ndryshojnë në varësi të orientimit të fushës magnetike. fusha N 0 në lidhje me kristalografinë. sëpata. Studimi i kësaj anizotropie bën të mundur përcaktimin e orientimit të ndërsjellë të rrotullimeve të bërthamave, distancave midis bërthamave, natyrës dhe simetrisë së mjedisit të menjëhershëm paramagnetik. qendër, dhe gjithashtu eksplorojnë kristalet strukturore. Kur ndërvepron me një numër të madh paramagnetik Analiza e bërthamave të spektrave komplekse NMR kryhet duke përdorur të ashtuquajturat. momenti i dytë i vijës spektrale, i cili gjatë bashkëveprimit të bërthamave identike përshkruhet me ligjin Van Vleck. Momenti i dytë përcaktohet nga vlera katrore mesatare e magnetit lokal. fushat e krijuara në bërthamë nga të gjitha dipolet e tjera bërthamore. Çdo model strukturor karakterizohet nga një i caktuar vlerat e momentit të dytë, i cili përdoret me sukses në analizimin e strukturës së gjysmëpërçuesve të qelqtë. Ekzistojnë programe për llogaritjen e momenteve të dyta të linjave NMR duke përdorur modele strukturore për kristalet e vetme të një sistemi arbitrar.

Për komponimet A III B V me një rrjetë ZnS, u studiua zbërthimi. mag. ndërveprimet dhe ndikimi i tyre në momentin e dytë të vijës spektrale. Llogaritjet e ngjashme bënë të mundur vlerësimin e përqendrimit të vetive. defektet në GaAs, përcaktoni llojin, vendndodhjen dhe ngarkesën e tyre. Studimi i ndikimit të papastërtive në formën e spektrave NMR bën të mundur përcaktimin e pozicionit të papastërtive në rrjetë dhe përqendrimet e tyre, si dhe ndikimin e papastërtive në efektet e skanimit të gradientëve elektrikë. fusha në kristal.

Studimet NMR të protoneve në Si amorf të hidrogjenizuar zbuluan grupime monohidratesh dhe bënë të mundur përcaktimin e tyre kf. madhësive.

Kur studiohen kristalet gjysmëpërçuese, përdoren gjerësisht rezonanca e dyfishtë elektron-bërthamore dhe metodat optike. polarizimi i bërthamave (shih Orientimi optik në gjysmëpërçues).

Lit.: 1) Abraham A., Bërthamore, përkth. nga anglishtja, M., 1963; 2) Gunter H., Hyrje në kursin e spektroskopisë NMR, trans. nga anglishtja, M., 1984; 3) Carrington A., McLachlan E., Rezonanca magnetike dhe aplikimi i saj në kimi, përkth. nga anglishtja, M. 1970; 4) Bërthamore; e Redaktuar nga P. M. Borodina, L., 1,982; 5) Buznik V.M., Rezonanca bërthamore në kristalet jonike, Novosibirsk, 1981; 6), Heberlen U., Mehring M., NMR me rezolucion të lartë në trupat e ngurtë, përkth. nga anglishtja, M., 1980; 7) Rembeza S.I., Rezonanca paramagnetike në gjysmëpërçuesit, M., 19.88; 8) Kiselev V.F., Krylov O.V., Proceset e adsorbimit në sipërfaqen e gjysmëpërçuesve dhe dielektrikëve, M., 1978; 9) Bond-da. I. Rembeza.

Enciklopedia fizike. Në 5 vëllime. - M.: Enciklopedia Sovjetike. Kryeredaktori A. M. Prokhorov. 1988 .