Ядерного магнитного резонанса прецессия ядер

Измерение ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — метод анализа, основанный на резонансном поглощении электромагнитных волн веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Ядерный магнитный резонанс использует явление ядерного магнетизма. Атомные ядра многих химических элементов имеют определенный момент количества движения, т. е. вращаются вокруг собственной оси (спин ядра). Спин ядра аналогичен спину электрона. Магнитный момент возникает потому, что каждое ядро имеет электрический заряд. Для наблюдения ЯМР ампулу, содержащую анализируемое вещество, помещают в катушку радиочастотного генератора. Образец может быть жидким, твердым или газообразным. Катушку с ампулой помещают в зазоре магнита перпендикулярно направлению магнитного поля Ни- Генератор создает на катушке слабое переменное магнитное поле Нх- Резонанс наступает при условии ф=фо= У о, где ф — скорость вращающегося поля Нх, фо — скорость прецессии ядер в поле На, 7 — гиромагнитное отношение у = т1Р (т — магнитный момент ядра атома, Р — момент количества движения ядра). При выполнении условия приемник регистрирует небольшое изменение напряжения на рабочем контуре в виде сигнала в форме гауссовой кривой. Кривая характеризуется высотой сигнала и шириной кривой (полосы), [c.452]

Ядра изолированы от окружающей их решетки электронными оболочками и не могут отдать избыточную энергию путем соударений. Вероятность спонтанного (самопроизвольного) излучения в радиоволновом диапазоне ничтожно мала (например, время жизни протона в возбужденном состоянии равно лет). Существует, однако, безызлучательный путь отдачи энергии ядрами, называемый релаксацией. Дело в том, что в каждом образце, содержащем магнитные ядра, возникают слабые флуктуирующие (хаотически меняющиеся) локальные магнитные поля, обусловленные межмолекулярными и внутримолекулярными движениями. Эти магнитные поля содержат весь спектр колебаний, в том числе и тех, которые совпадают с частотой ларморовой прецессии магнитных ядер данного изотопа. Соответствующая компонента этого локального поля может вызвать переход того или иного прецессирующего ядра с верхнего уровня на нижний путем резонансного взаимодействия с ним. Энергия этого перехода передается элементам решетки в виде дополнительной поступательной, вращательной или колебательной энергии, т. е. превращается в тепловую энергию образца. Такой процесс охлаждения ядерных спинов называется спин-решеточной релаксацией. Он будет происходить довольно часто, поскольку, как показывает расчет, вероятность вынужденного излучения или ядерного магнитного резонанса велика (в противоположность спонтанному излучению). Система возбужденных ядер получает возмож- [c.22]

Внешнее магнитное поле стремится ориентировать магнитный момент параллельно или антипараллельно направлению этого поля Однако из-за наличия у ядра механического момента в результате взаимодействия с магнитным полем ось вращения ядра описывает коническую поверхность вокруг направления внешнего поля, как показано на рис. 3-1. Движение такого типа называется прецессией. Примером гироскопического движения этого типа может служить поведение обыкновенного волчка, который начинает прецессировать. если его первоначально запустили с направлением оси вращения, отличным от направления гравитационного поля земли. Как будет видно из дальнейшего изложения, частота прецессии является одним из основных параметров, описывающих явление ядерного магнитного резонанса. [c.70]

Тот же самый результат может быть получен, если частота переменного ноля V остается постоянной, а изменяется напряженность постоянного магнитного поля. При изменении напряженности постоянного магнитного поля изменяется частота прецессии ядра и, когда она достигает частоты переменного магнитного поля, происходит резонанс. На практике обычно реализуется именно этот способ. Таким образом, задача анализа обычно состоит в том, чтобы определить напряженность постоянного магнитного поля, при которой наступает ядерный резонанс в переменном поле определенной частоты V. В этом случае частота V равна частоте ЯМР. В табл. 4 приведены значения ЯМР для ядер различных атомов. [c.38]

Можно представить, что каждое ядро помнит ряд других, находящихся в непосредственной близости магнитных ядер или самой молекулы или соседних молекул. Движение соседних ядер относительно наблюдаемого ядра приводит к созданию локальных магнитных полей, действие которых будет испытывать наблюдаемое ядро в момент прецессии относительно поля Но. Так как движение ядер имеет случайный характер, то возникающие электромагнитные поля будут иметь чрезвычайно широкий спектр частот, среди которых найдутся компоненты, совпадающие по направлению с Я и имеющие резонансную частоту. Следует обратить внимание на интенсивности частотных компонент молекулярных движений, имеющих частоты, совпадающие с частотой ядерного резонанса, удвоенной частотой резонанса и равной нулю. [c.58]

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга АхАЕ = Н, время жизни в данном энергетическом состоянии влияет на определенность значения энергии в этом состоянии. Следовательно, от величины Г] должна зависеть ширина резонансной линии. Поглощенная энергия может передаваться частицами не только за счет теплового движения, но и за счет так называемого спин-спинового взаимодействия. В ядерном магнитном резонансе такое взаимодействие обычно наблюдается у связанных друг с другом частиц с магнитным спином. На каждый магнитный момент ядра действует не только постоянное магнитное поле Но, но и слабое локальное поле Ялок, создаваемое соседними магнитными ядрами. Магнитный диполь на расстоянии г создает поле (х/г , для протона это поле равно 14 Э на расстоянии 1 А. С ростом г напряженность поля Ял( быстро падает, так как существенное влияние могут оказывать только ближайшие соседние ядра. По величине разброса локального поля Н ак при помощи уравнения резонанса можно найти разброс частот ларморовой прецессии [c.256]

Теперь рассмотрим влияние небольшого магнитного поля Яь перпендикулярного к Яо- Я1 стремится отклонить диполь в плоскость ху (рис. 2.1), но это действие сравнительно малоэффективно до тех пор, пока Я1 не врап ается вокруг оси Яо с той же угловой частотой О), что и частота прецессии. Если враш,ение Hi медленно изменять, проходя частоту прецессии, то при достижении частоты прецессии угол 0 будет сильно изменяться, что соответствует обмену энергией между прецессируюш им ядром и враш,аюш,имся полем Я1. Это явление есть не что иное, как вид резонанса, так что теперь становится понятным термин ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Обмен энергии соответствует поглон ению или испусканию излучения, и его можно регистрировать методами, которые будут описаны ниже (разд. 3.1). Элементы экспериментального устройства, необходимого для регистрации сигналов ЯМР, вытекают из приведенных выше рассуждений ядро нужно поместить в постоянное магнитное поле Яо и затем подвергнуть действию электромагнитного излучения таким образом, чтобы магнитное поле Я1 последнего вращалось вокруг оси Яо с необходимой угловой частотой. [c.23]

Ясно, что и для электрона, и для ядер различным спиновым состояниям соответствуют разные проекции магнитного момента Цег и nnz следовательно, магнитные энергии электрона и ядер ЦегН и ЦпгЯ в магнитном поле Н разные в различных спиновых состояниях. Магнитные энергии спиновых состояний называются зеема-новскими энергетическими уровнями этих состояний. Напомним, что на регистрации переходов между электронными спиновыми состояниями (т. е. между электронными зеемановскими уровнями) основан метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Переходы между ядерно-сниновыми состояниями (и ядерными зеемановскими уровнями) фиксируются методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Эти переходы сопровождаются изменением проекции спина и индуцируются переменными магнитными полями на частоте прецессии электронов или ядер. Переменные поля могут быть приложены извне (как в ЭПР или ЯМР), или создаваться молекулярным движением. Движение молекул окружающей среды (решетки) хаотично и создает случайные магнитные поля разных частот и амплитуд ( белый шум ), однако всегда имеется компонента этого шума на частоте прецессии электрона или ядра, которая индуцирует переходы между спиновыми состояниями. [c.12]

Частота прецессии ядра равна частоте электромагнитного колебания, нсобхсдимого для перевода ядра из одного спинового состояния в другое. При таком ядерном переходе происходит изменение угла, образованного осью ядерного магнита с направлением внешнего магнитного поля. Это изменение можно индуцировать наложением электромагнитного поля с маг штным вектором, вращаюш,имея в плоскости, перпендикулярной основному магнитному полю. Если частоты Бращаюш,егося магнитного поля и прецессии ядер совпадают по величине, то говорят о выполнении резонансных условий. При этом может происходить поглош,ение и одновременное испускание энергии. Таким образом, ядерный магнитный резонанс (поглощение или испускание энергии) наблюдается в том случае, когда ядро (/ > > 0) помещено в постоянное магнитное поле и подвергается действию электромагнитного излучения нужной частоты. [c.71]

ПОЛЯ ядро начинает прецессировать вокруг вектора наложенного поля, как волчок прецессирует вокруг своей оси. Угловая частота этой прецессии называется лармо-ровой частотой, ее величина зависит от напряженностк приложенного магнитного поля и свойств ядра. При возбуждении ядерного магнитного резонанса накладывается сильное однородное магнитное поле, которое вызывает прецессию ядер, и сверх того накладывается поле радиочастотных колебаний с энергией порядка разности [c.204]

Если бы резонансные частоты всех протонов молекулы совпадали по величине, то метод ядерного магнитного резонанса ие представлял бы особой ценности для органической химии, так как в спектре обнаруживался бы лишь один пик, независимо от числа и природы присутствующих протонов. Фактически же частоты ядерного магнитного резонанса, хотя и в слабой степени, но зависят от окружения данного ядра. Электроны, окружающие ядро, экранируют его, так что суммарное магнитное поле, взаимодействующее с ядром, несколько отличается от основного, внешнего поля. Электронное экранирование обусловлено вызванной внешним полем прецессией окружающих ядро электронов вокруг направления этого поля. Образующееся в результате такой прецессии магнитное поле обычно имеет направление, противоположное внешнему полю, а его напряженность прямо пропорциональна напряженности внешнего поля. Таким образом, суммарное магнитное поле, взаимодействующее с ядром, имеет величину Яэфф = Но — оН (где о Яо — вклад поля вращающихся электронов). Очевидно, что протоны, отличающиеся окружением, по-разному экранированы магнитными полями окружающих электронов. Другими словами, различным протонам отвечают различные величиныа Яц, каждая из которых, в свою очередь, зависит от напряженности Яо внешнего поля. [c.74]

В 1946 г. Парселлом и независимо от него Блохом были разработаны различные методы изучения ядерного магнитного резонанса. Экспериментальная установка для изучения ЯМР показана на рис. 18-11. Образец помещен в однородное магнитное поле и окружен катушкой от радиочастотного генератора так, что осциллирующий магнитный вектор радиочастотных воля перпендикулярен магнитному полю. Частота генератора или сила магнитного поля изменяется до тех пор, пока радиочастота не станет равной частоте прецессии ядер в магнитном поле. В этом случае возникает резонанс. В результате энергия поглощается образцом, и некоторые спины ориентируются таким образом, что ядра переходят на более высокие энергетические состояния. Как только ядра возвращаются на [c.574]

Метод двойного резонанса с адиабатическим размагничиванием является новым методом в этой области. Рассмотрим образец с квадрупольным ядром в молекуле, в которой имеется несколько протонов. Если образец помещен в магнитное поле и мы ждем достаточно долго, чтобы наступило равновесие, то, как это обсуждалось в главе, посвященной ЯМР, будет существовать избыток протонных ядерных моментов, расположенных вдоль поля, которые участвуют в ларморовой прецессии и дают вклад в суммарную намагниченность. Если образец удалить из поля, то суммарная намагниченность упадет до нуля, поскольку индивидуальные моменты располагаются в соответствии со своими собственными локальными полями. Беспорядочная ориентация этих локальных полей в отсутствие внешнего поля приводит к нулевой суммарной намагниченности. Эта ситуация изображена на рис. 14.8 слева, в той части, которая помечена как образец удален из поля . [c.280]

В реальных веществах ЯМР наблюдается не строго на одной частоте, как это следует из ур-ния (4), а в нек-ром интервале частот. Форма линии может также отличаться от приведенной на рис. 3. Конечная ширина линии обусловлена различием условий прецессии соседних магнитных ядер в веществе. Эти условия определяются структурой, агрегатным состоянием вещества и рядом других факторов. Поэтому спектры ЯМР стали полезным инструментом при исследовании внутреннего строения и межмолекулярных взаимодействий в твердых, жидких и газообразных соединениях. Важным фактором, определяющим ширину и форму линии ЯМР, является механизм установления равновесного распределения ядерных моментов образца в поле Но- Пока образец находится вне магнитного поля, ориентации векторов х отдельных ядер хаотически распределены по всем направлениям вследствие теплого движения атомов и молекул. При внесенип образца в поле Яо часть векторов л ориентируется по полю, а часть ( меньшая) — против поля, за счет избыточной тепловой энергии. В этом случае, согласно правилам квантовой механики, ядра могут иметь только определенные, дискретные зйаче-ния энергии, Е1 и 2- Переход к распределению в поле Яо требует нек-рого времени. Такие процессы установления носят название релаксационных и проходят через взаимодействие релаксирующих частиц между собой и с окружающей средой. В теории ЯМР рассматривается два механизма релаксации. Первый характеризуется временем установления теплового равновесия между магнитными ядрами и окружающими атомами и молекулами (спин-решеточная релаксация). Второй характеризуется временем установления равновесия в самой системе магнитных ядер (спин-сниновая релаксация). Встречающиеся в экспериментах значения Т1 лежат в интервале от 10 до 10 сек. Для твердых тел Т1 больше, чем для жидкостей и газов. Релаксация ограничивает время жизни ядра в данном состоянии. Это приводит к конечному интервалу частот, в к-ром наблюдается резонанс [c.545]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология