Ядролық магниттік резонанс

Орындаған: Салыбаева Н,

Сатымбекова Ұ,

Тұрған Т.

Қабылдаған: Қалкөзова Ж.

Тақырыбы: Ядролық магниттік резонанс

13 семинар

Ядролық магниттік резонанс - қатты, сұйық жіне газ тәріздес денелерде радиожиілік дипазонындағы электромагниттік энергияның резонанстық жұтылуын айтады. Мұндай резонанстық жұтылу құбылысы сыртқы магнит өрісіне орналасқан зат ядролардың магнетизіміне байланысты пайда болады. Бұл құбылыстың резонанстық сипаты қозғалыс мөлшерінің моменті мен магниттік моменті бар ядролардың қасиетіне сәйкес анықталады. Мұндай ядроның сыртқы магнит өрісімен (H0) әсерлесуі меншікті, яғни пресцессия жиілігін (ω0) анықтайды: ω0 ═ γH0 мұндай γ гиромагниттік қатынас, яғни ядроның магниттік моментінің оның қозғалыс мөлшері моментіне қатынасы.

Тәжірибеден негізіне осы меншікті жиіліктің мәні анықталады. Көптеген ядролар үшін бұл жиілік 1-10 МГц аралығында жатады. Сыртқы магнит өрісі болмаған кезде ядролардың магниттелушілігі әлсіз (электрондық парамагнетизімнен 106-108 есе кем) болады. Резонанстық жиіліктегі радиожиіліктік өріс ядролардың айналу бағытын өзгертеді, яғни ядролық магниттелушіліктің прецесс қозғалысын тудырады. Бұл қозғалыс зерттелмекші затты қоршаған индуктивтілік орамада пайда болатын индукциялық ЭІК арқылы анықталады. ЯМР ядролардың магниттік моментін өлшеуге, заттың магниттік құрылымын зерттеуге, химиялық анализде тағы басқа кеңінен пайдаланылады.

ЯМР Спектроскопиясы

ЯМР сутектi мысалға алғандағы суреті

Сұйық сутектегі протонның магниттi резонансына сигнал жіберуі

ЯМР спектрометрінің арнайы схемасы

ЯМР құбылысын алғаш рет 1946 жылы американдық физиктер Ф. Блох пен Е Персел байқаған.

ЯМР спектрлері деп - сіңіру интенсивтілігінің магнит өрісінің кернеулілігіне немесе жиіліген тәуелділігін атайды. Яғни ЯМР тұрақты магнит өрісінде тұрған заттардың электромагнит толқындарын резонансты түрде сіңіруге негізделген. Бұндағы сіңіру ядролық магнетизм арқылы жүреді.

Ядролық магнетизм атом ядроларының құрамына кіретін протон мен нейтронның спиндерімен сипатталатын результирленген спин арқылы және ядроға оң зарядты тарату немесе орналастыру қасиеттері арқылы анықталады. Егер ядроның протон мен нейтрондарының спині жұптасқан болса, онда результирленген спин болмайды және ядролық спиннің квант саны нөлге тең болады.

Егер протон мен нейтрон спиндері жартылай компенсацияланған болып, J=1/2 тең болса, онда ядро зарядтың сфералық таралу түрін сақтайды. J=1/2 тең болып, жұптаспаған спиннің болуы, ядролық магнит моментін тудырады.

Спинді жүйеге электромагнит өрісімен әсер еткенде спин деңгейлерінің арасында ауысулар басталады, егер:

Бұндағы фактор, ядролық магнетон (протонның магнит моменті), индукциясы тұрақты магнит өрісі болса, жиілігі электромагнит сәуленің кванттарының резонанстық жұтуы немесе шығаруы байқалады:

Бұл теңдік ЯМР шарты деп аталады.

Ф. Блох ұсынған ЯМР-дің классикалық моделінде магнит өрісінің векторына бұрышты бағытталған магнит моментіне әсер ететін күштердің моменті магнит моментінің өріс бағытының айналасында прецессия туғызатыны көрсетілген. Бұл жағдайда магнит моментінің векторы 2 компонентамен бейнеленеді: 1) тұрақты магнит өрісінің бойымен (бойлық компонента) және 2) оған перпендикуляр (көлденең компонента) . Екеуі де релаксацияға жатады.

Значения ЯМР для различных ядер

Резонанс шартын құру үшін ядроны перпендикуляр әлсіз электромагнитті өріспен қоршайды, тербеліс жиілігі ν1 және кернеулігі Н1, ν0+νν шартында Н1 қозғалыс өрісі синхронды болып келеді, тұрақты кернеулік құбылысы пайда болады да, ядроның магниттік моменті алғашқы бағытқа қарама-қарсы лақтырылады. «Лақтыру» энергияны сигнал бойынша қабылданады. Бұл құбылыс ЯМР әдісінің негізі.

ЯМР-ны бақылауға арналған құрылғы: жоғары жиілікті индуктивті катушкаға ампуланы қоямыз, ол жоғарғы жиілікті айналмалы Н1 өрісін тудырады. Үлгідегі катушка электромагниттік полюспен кернеулігі Н өрісіне, жиілігі ν0 өзгерсе ν0+νν шартына қол жеткізуге болады және ол контурда тіркеледі. Бұл сигнал электрондық құрылғымен күшейтіледі және осцилографқа дәл, экранда қисық резонансты жұтылуды көрсетеді.

Ядролы магниттік резонанстың мәні резонанстық жұтылу электромагниттік толқындар заттарымен тура магниттік өрістегі ядролық магнетизінің жұтылумен дәлелденеді.

Ядро маңында электрон неғұрлым көп болса, экрандау соғұрлым эффективті болады. Бұл бірақ сфералы симметриялы электрон орбитальдарына тән нәрсе. Қосымша магнит өрісінің мәні мен бағыты молекуланың құрылысы мен бағытына тәуелді болады. ЯМР әдісінің көмегімен органикалық және комплексті қосылыстарды, кристалдар құрамын, тез жүретін реакция кинетикасын зерттейді.