Магниттік резонанс

Магниттелген күйдегі заттардың көпшілігінде, бұларға түсетін электромагниттік толқындардың энергиясын жұтатын қабілет пайда болады. Осы жұтылу резонанстық сипатта, яғни электромагниттік толқынның толқын ұзындығы мен затты магниттейтін тұрақты магнит өрісінің кернеулігі арасында белгілі қатынас орындалғанда ғана болады.

Магниттік резонанс құбылыстары қазіргі физика, химия, биологияда жəне т.т. елеулі рөл атқарады. Өйткені бұлар заттың құрылысын, қасиеттерін зерттеудің өте тиімді амалы болып табылады. Магниттік резонанс құбылысының мəнісін атомдардың магниттік қасиеттері жəне бұлардың сыртқы магнит өрістерімен де, бірімен-бірінің де əсерлесуі жөніндегі деректерге сүйеніп оңай түсінуге болады.

Сыртқы əсер жоқта атом əртүрлі F күйлерде бола алады, бұлардың əрқайсысына нақты EF энергия сəйкес коледі:

Егер атом B магнит өрісіне орналастырылса, онда оның энергиясы өзгереді. Магнит өрісі аса нə зік түзіліс үшін күшті болғанда J-I байланысы үзіледі, ал L-S байланысы өзгеріссіз қалады. Осы жағдайдағы атом энергиясы мына өрнекпен анықталады.

энергиясы. Онда (3.8.2) өрнекті мынадай түрде жазамыз:

~ 104 ~

зеемандық деңгейшеге жіктеледі.

Ал осы деңгейшелердің əрқайсысы өз тарапынан екі аса нəзік құраушыға жіктеледі:

Жіктелген E_J деңгейлері арасында, жəне де бір деңгейдің

əртүрлі деңгейшелері арасында электромагниттік энергияның шығарылуын немесе жұтылуын тудыратын көшулер болуы мүмкін.

Бір деңгейдің зеемандық деңгейшелері арасындағы көшулер əрқилы магниттік резонансты мүмкін етеді. Бір деңгейдің зеемандық деңгейшелері арасындағы спонтандық көшулердің ықтималдығы өте аз болатынын, осындай көшулер себепті болатын спонтандық сəуле байқалмайды. Осы деңгейшелер арасында еріксіз көшулер іске асады: жұтылу жəне еріксіз сəуле шығару зеемандық деңгейшелер арасындағы еріксіз көшулер магниттік резонанс болып табылады.

~ 105 ~

Сонымен, магниттік резонанс құбылысы деп магнит өрісіндегі заттың электромагниттік энергиясын талғап (резонансты) жұтуын айтады.

(3.9.2) формуладан негізгі деңгейдің зеемандық деңгейшелерінің арасындағы энергетикалық интервалдары мынаған тең:

E E_J Am_J m_{I Б} g _J Bm_{J ОЯ} g _I Bm_I E_J Am_J m_{I Б} g _J Bm_{J ОЯ} g _I Bm_I

яғни,

Осы ережелердің екіншісі деңгейшелер арасында электрондық көшу кезінде ядролық момент өзінің бағдарлануын өзгертпейтіндігін көрсетеді.

Сұрыптау ережелерін ескеріп берілген деңгейдің деңгейшелері арасында көшулер кезінде жиілігі

қорытындыға келеміз.

(3.8.6)-дегі бірінші мүше аса нəзік түзіліс жоқ сызықты береді. Екінші мүше сызықтың 2I+1 құраушыға (m_I -дің

мүмкін мəндерінің саны бойынша) жіктелетінін, яғни сызықтың аса нəзік түзілісі болатынын көрсетеді.

~ 106 ~

Сонымен, магнит өрісіне орналастырылған атом берілген деңгейдің бір деңгейшесінен сол деңгейдің басқа деңгейшесіне көшіп, жиілігі (3.8.6) электромагниттік толқын энергиясын жұтуға қабілетті болады, яғни электромагниттік өріс энергиясын талғап (резонансты) жұту орын алады, бұл магниттік резонанс құбылысының бір түрі (электрондық парамагниттік резонанс - ЭПР). Осы көшулер кезінде (3.8.5) сұрыптау ережелеріне сəйкес электрондардың спиндері қайта бағдарланады.

Осындай толқынның жиілігі қандай болатынын бағалайық. (3.8.6) өрнегінде

Am_I ^{1 Б} g _J,

болса, онда

табамыз, бұл 2,7 см толқын ұзындығына сəйкес келеді

(радиотолқындардың сантиметрлік бөлігі).

Егер атомның магниттік қасиеттері тек ядро спинімен анықталатын болса, яғни J=0 болса, онда (3.8.2)-ге сəйкес магнит өрісіндегі атом энергиясы былай анықталады:

Осы жағдайда атомның E ₀ деңгейі 2I+1 деңгейшеге

жіктеледі (m_I -дің мүмкін мəндерінің саны бойынша). (3.8.9)-тен көрші деңгейлер арақашықтығы мына

сұрыптау ережесіне бағынады. Көшулер болғанда жиілігі

сəуле жұтады (шығарады). Сонымен, J=0 болған жағдайда да магнит өрісіне орналастырылған атом жиіліктегі электромагниттік өріс энергиясын талғап жұтатын болады, яғни магниттік резонанстың бір түрі (ядролық магниттік резонанс – ЯМР) іске асады. Жəне де осы жағдайда деңгейшелер арасындағы көшулер кезінде ядро спині қайта

бағдарланатын болады. g_I ~1 деп ұйғарып, В~0,1 Тл болғанда

λ~10³ см толқын ұзындығына сəйкес келеді (қысқа толқынды радиодиапазон).

(3.8.2) өрнегімен анықталатын энергетикалық деңгейшелер арасында болатын кванттық көшулер ЭПР (электрондық парамагниттік резонанс) жəне ЯМР (ядролық магниттік резонанс) əдістерімен зерттеледі. ЭПР жəне ЯМР əдістері біріне-бірі ұқсас.

Z протон саны жəне (A-Z)-нейтрон саны жұп болатын ядролар жұп-жұп ядролар деп аталады. Бұлардың спиндері нөлге тең. Тақ-жұп [Z-тақ, (A-Z)-жұп] ядролардың спиндері бүтін санның жартысына тең, ал тақ-тақ ядролардың спиндері бүтін санға тең болады.

Атом ядросының меншікті импульс (спиндік) моменті

L _I I (I 1)

жəне осы моментпен байланысқан магниттік дипольдық моменті

болады, мұндағы mP=1,67·10 ^{- 27}кг-протон массасы, I – ядролық спиндік кванттық сан (ядро спині); g_I – ядролық g-фактор,

_ОЯ – ядролық магнетон. Ядролық g-фактор мағынасы

бойынша Ланденің атомдық g-факторына ұқсас, бірақ бұдан өзгешелігі ол теориялық жолмен есептелінбейді, тəжірибе

ядролық магниттік моменттің бірлігі болып табылады. Кванттық теорияға сəйкес ядроның спиндік импульс моментінің жəне магниттік моментінің квантталу бағытына (мысалы, Z осіне) проекциялары тек дискретті мəндер қабылдайды:

Ядролық магниттік резонанс. Ядролық магниттік резонанс құбылысын 1945 ж. аяғында алғаш Америка ғалымдары Э. Парселл, Ф. Блох бір-бірінен тəуелсіз бақылаған. Ядролық спинмен байланысқан магниттік ядролық момент, электрондық момент сияқты, магнит өрісі бағытына квантталған проекцияларды жасап бағдарланады. Магнит өрісіндегі əрбір проекцияға энергияның өз мəні сəйкес келеді, яғни магниттік моменттің бағдарлануы əртүрлі деңгейлер жүйесі пайда болады.

Радиожиіліктегі өріс əсерінен бір энергетикалық күйден басқасына еріксіз көшу болады, ол ядролық магниттік моменттің бағдарлануы өзгеруімен қабат жүреді. Мұндай жағдайды ЭПР жағдайында да кездестірген болатынбыз.

ЯМР-ді эксперименттік бақылау əдістері ЭПР-де қолданылатын əдістерге ұқсас. Ядролық магниттік момент шамасы ~10⁷ -10⁸ Гц жиіліктер қолданылады.

~ 109 ~