ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ

NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE AND ITS APPLICATION IN TECHNOLOGY

Vahan Panosyan

student, faculty of ecology and technosphere safety, Russian state social University,

Moscow, Russia

Damir Bekbulatov

scientific adviser, senior lecturer, Russian state social University,

Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ

Существует такое физическое явление, при котором ядра атомов, находящиеся в сильном постоянном магнитном поле, переходят в состояние возмущения слабо поляризуемым магнитным полем, и начинают реагировать, создавая электромагнитный сигнал с частотной характеристикой магнитного поля в ядре.

Для лучшего понимания этого явления необходимо отметить, что ядерный магнитный резонанс (ЯМР), это ядерная спектроскопия, пользующаяся широким использованием в любой физической науке и промышленной сфере. Здесь для изучения специфичных атомным ядрам спиновых свойств используют большой магнит. Аналогично любому виду спектроскопии, здесь присутствует электромагнитное излучение. Главными научными направлениями применения ЯМР, являются медицина и химия. В медицине это, всем хорошо знакомая, магнитно-резонансная томография (МРТ). В химии же ЯМР позволяет рассмотреть строение молекул мельчайших размеров.

ABCTRACT

There is such a physical phenomenon in which the nuclei of atoms, which are in a strong constant magnetic field, go into a state of perturbation by a weakly polarizable magnetic field, and begin to react, creating an electromagnetic signal with the frequency characteristic of the magnetic field in the nucleus.

For a better understanding of this phenomenon, it should be noted that nuclear magnetic resonance (NMR) is a nuclear spectroscopy that is widely used in any physical science and industrial field. Here, a large magnet is used to study the spin properties specific to atomic nuclei. Similar to any type of spectroscopy, electromagnetic radiation is present here. The main scientific areas of NMR application are medicine and chemistry. In medicine, this is, well known to all, magnetic resonance imaging (MRI). In chemistry, NMR allows us to consider the structure of molecules of the smallest size.

Ключевые слова: физика, РГСУ, ядерный магнитный резонанс, магнит.

Keywords: physics, RSSU, nuclear magnetic resonance, magnet.

Коснемся истории открытия ЯМР. 1946 год, ученые из Гарварда (Персел, Фунт и Торри) наряду с учеными из Стэнфорда (Блох, Хансен и Паккард) у ядер протона и фосфора-31 (1H и 31P) обнаружили способность поглощения радиочастотной энергии, когда на них оказывало влияние магнитное поле с силой, характерной для всех атомов. В момент поглощения ядра начинали усиливаться, при этом, у обоих химических элементов имелась своя частота. Ввиду этого наблюдения, стало возможным проведение подробного исследования структуры молекулы. Начиная с того момента, ЯМР вводят в использование для кинетических и структурных анализов тел трех агрегатных состояний, вследствие чего присваивается 6 Нобелевских премий.

Давно известно, что состав ядра атома складывается из нуклонов. У каждой частицы (протона и нейтрона) свой характерный момент импульса - спин, характеризующийся квантовыми числами I, а в магнитном поле числами m. При четном количестве частиц, у атомных ядер спин = 0, а у всех остальных соответственно спин ¹ 0. Магнитный момент молекулы со спином ¹ 0 составляет μ = γ I, где γ – гиромагнитное отношение.

Суть заключается в том, что магнитный момент ядра вынуждает ядро проявлять себя как крохотный магнит. Внешнее магнитное поле может и отсутствовать, и тогда все магниты будут иметь случайную ориентированность. Когда проводится опыт ЯМР, модель помещают во внешнее магнитное поле В₀, что приводит к вынуждению стержневых магнитов со слабой энергией выпрямляться в сторону B₀, а с сильной – в обратную. Это приводит к ориентационным изменениям. Для понимания этого принципа, требуется рассмотрение энергетических уровней ядра при опыте ЯМР.

Для того, чтобы спин переворачивался, требуется целое число квантов. У каждого числа m имеется 2m + 1 энергетических уровней. Ядро, обладающее спином ½, имеет 2 энергетических уровня: первый – низкий (занимают спины, находящиеся в выровненном положении с B₀), второй – высокий (занимают спины, обратно направленные к В₀). Энергетический уровень находят по формуле: Е = -mℏγВ₀, где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- ½.

Разность энергий уровней находится по выражению: ΔE = ℏγВ₀.

Главным условием для возникновения резонанса является переворачивание спина между энергетическими уровнями. Энергия электромагнитного излучения эквивалентна разности энергий двух состояний и вынуждает ядра элементов менять им присущие энергетические уровни. У многих ЯМР-спектрометров В₀ порядок - 1 Тесла (Т), а γ – 107. Из этого следует, что у необходимого электромагнитного излучения порядок составляет 107 Гц. Формула Е = hν описывает энергию фотона. Отсюда получаем требуемую частоту поглощения: ν= γВ0/2π.

Основной концепцией физики ЯМР служит ядерное экранирование, позволяющее разглядеть структурное строение вещества. Когда электроны, совершающие вращение вокруг атома, воздействуют на магнитное поле атома, энергетические уровни подвергаются небольшим изменениям. Собственно, это явление и носит название «экранирование». Выделяют ядра, испытывающие магнитные поля различного рода и имеющие связь с местными электронными взаимодействиями, их принято называть «неэквивалентные». Чтобы спин переворачивался, требуется другая частота изменения энергетических уровней, что приводит к созданию новой максимальной точки в диапазоне ЯМР. Благодаря экранированию можно определять структуру молекул за счет преобразования Фурье. Получаем диапазон, складывающийся из максимальных точек, соответствующих определенной химической среде. Площадь максимальной точки находится в прямой зависимости с количеством ядер. Детальные сведения о структуре извлекаются методом ЯМР-взаимодействий.

Давайте рассмотрим, где применяется ядерный магнитный резонанс. Прежде всего, ЯМР обрел большое значение в сферах медицины и химии. Но тем не менее, список этим не ограничивается.

Большой известностью пользуется ядерная магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ используется для исследования функций и строения человеческого тела. Методом МРТ специалисты получают конкретное изображение органа. В наибольшей степени метод способствует визуализации сердечно сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической областей. Магнитно-резонансная томография по сравнению с компьютерной томографией имеет преимущество, проявляющееся в том, что в ней не используется ионизирующее излучение, это обеспечивает абсолютную безопасность. Во время обследования атомы в области сканирования тела резонируют с разными частотами поля. Целью использования данной технологии, в первую очередь, является выявление колебаний атомов водорода с вращающимся ядром протона, внутри, имеющим небольшое магнитное поле. В ходе процесса томографии фоновым магнитным полем выстраивается линия из всех атомов водорода в ткани. Другое магнитное поле, выделяющееся иной направленностью, совершает многократное включение и выключение в секундном промежутке. С достижением конкретной частоты - атомы переходят в резонансное состояние и образуют линию с соседним полем. При его выключении, атомы возвращаются в исходное положение. В результате создается сигнал, который принимается и преобразовывается в изображение.

В большинстве лабораторий ЯМР применяется с целью установления строений значимых химических и биологических соединений. В диапазонах ЯМР благодаря разным пикам можно получить сведения об определенном химическом окружении и взаимодействиях меж атомами. Более известными изотопами, используемыми с целью выявления сигналов магнитного резонанса, считаются 1H и 13C, однако могут подойти также и многие другие, например: 2H, 3He, 15N, 19F.

Нынешняя ЯМР-спектроскопия нашла обширное применение в биомолекулярных системах и имеет важное значение в структурной биологии. С формированием методологии и приборов, ЯМР заслужил место в списке самых сильных и разносторонних спектроскопических методов рассмотрения биомакромолекул. Это дает возможность описывать их и их сложные комплексы размерами до 100 кДа. Помимо этого, ЯМР дает незаменимые сведения о функциях белка, что первостепенно в создании фармацевтических препаратов.

Хорошо заметны освоение и усовершенствование передовых достижений в близких по специализации сферах науки. К примеру, лазерная техника, голография, ядерный магнитный резонанс нашли применение в приборах и методах контроля, вместе с тем, на базе оптической голографии получило развитие и акустическая вычислительная голография. Изобретены микропроцессоры, применяющиеся для выявления неисправностей, а также управления процессом контроля и т. д.

На сегодняшний день метод способствует развитию не только главных сфер деятельности (медицина и химия), но и дополнительных. Конкретнее следующих областей: управления процессами, ЯМР поля Земли, климатических испытаний, нефтяной промышленности. Благодаря неразрушающему контролю возможно пренебрежение дорогостоящими биологическими моделями, использующимися вторично, во время необходимости проведения большого числа испытаний. Например, метод поспособствовал измерению пористости пород и проницаемости подземных жидкостей в сфере геологии. А благодаря изобретенным магнитометрам стало возможным измерение разнотипных магнитных полей.

Список литературы:

1. Сергеев, Н.М. Спектроскопия ЯМР (для химиков–органиков) учебник / Н.М. Сергеев. – М.: Издательство Московского университета., 1981.- 279 с.
2. Попл, Д. Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения: Пер. с англ. / Д. Попл, В. Шнейдер, Г. Бернстейн; Под ред. Н. Д. Соловьева. –М.: Издательство иностранной литературы, 1962. –– 592 с.
3. Эрнст, Р. ЯМР в одном и двух измерениях: Пер. с англ. / Р. Эрнст, Д. Боденхаузен, А. Вокаун. - Мир, 1990. –– 711 с.
4. Эмсли, Д. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения: Пер. с англ. / Д. Эмсли, Д. Финей, Л. Сатклиф; Под ред. В. Ф. Быстрова. –– Мир, 1968. –– Т. 1. –– 630 с.