ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Магнитные свойства атомных ядер из "Ядерный магнитный резонанс в химии" Прежде чем перейти к рассмотрению принципов метода ядерного магнитного резонанса, кратко остановимся на магнитных свойствах атомных ядер. [c.11] Как и электрон, многие (но не все ) ядра обладают собственным моментом количества движения или спином (от англ. spin — вращение). [c.11] Из выражения (3) видно также, что величина у пропорциональна отношению заряда ядра к его массе. [c.12] Поместим магнитное ядро в магнитное поле. Испустив избыток энергии, оно должно было бы расположиться параллельно магнитным силовым линиям этого поля так было бы в том случае, если бы ядро не было микрочастицей. Но в микромире многое происходит не так, как предсказывает классическая физика. В частности, вектор магнитного момента ядра не может расположиться параллельно направлению приложенного магнитного поля он может лишь совпадать (или не совпадать) с этим направлением. Хотя абсолютное значение вектора магнитного момента ядра можно вычислить довольно точно, его положение в пространстве можно задать только проекцией на направление приложенного магнитного поля Яд. [c.12] Это ограничение вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга положение вектора магнитного момента ядра в пространстве можно задать его проекцией только на одну из координатных осей, тогда как две другие проекции остаются неопределенными. Поэтому максимальное значение проекции вектора на направление Hq не может быть равно длине вектора, так как в этом случае две другие проекции оказались бы равны нулю, т. е. стали бы точно определенными, что противоречит указанному принципу. [c.12] Все ядра данного изотопа какого-либо элемента характеризуются определенным значением спина /. Экспериментально и теоретически установлено, что ядерный спин / может быть целой или полуцелой величиной О, /2, 1, % и т. д. Спин, равный нулю, можно объяснить тем, что движения нуклонов компенсируют друг друга, и суммарный спин оказывается равным нулю. Поэтому к ядрам с нулевым спином относятся такие, у которых число протонов и число нейтронов четно, например бС, gO, б5, Se и т. п. [c.13] Напротив, если хотя бы одно из этих чисел нечетно, то спин отличается от нуля, а именно если массовое число четно, то спин является целым, а если нечетно, то спин — полуце-лая величина. [c.13] Примерами ядер с / = Vj могут быть ядра I H, еС, N, gF, isP. Эти ядра наиболее удобны для экспериментов по ядерному магнитному резонансу. Наиболее важными для органической химии примерами ядер со спином больше /j могут быть ядра Н, jN (/= 1), вО (/ = %). Эти ядра менее удобны для наблюдения спектров ЯМР. [c.13] Таким образом, одна из возможных ориентаций соответствует углу 0, равному 54° 44, другая — углу 0 , равному 125° 16. [c.14] При отсутствии магнитного поля энергия всех спиновых состояний одинакова. Такие состояния называются вырожденными. Наложение магнитного поля снимает это вырождение, т. е. происходит расщепление уровней энергии, которое называется ядерным зеемановским расщеплением. [c.14] Таким образом, частота перехода между соседними энергетическими уровнями зависит только от гиромагнитного отношения данного изотопа и от приложенного магнитного поля Яо. [c.15] Из правил отбора следует, что в однородном магнитном поле возможны переходы только между соседними энергетическими уровнями, т. е. переходы, при которых магнитное квантовое число т изменяется на единицу. Следовательно, в спектрах ЯМР должны отсутствовать линии поглощения, соответствующие квантам с частотами, кратными частоте V. Поэтому, хотя квантовых переходов может быть и несколько (а именно 2/, так как имеется 2/ -1- 1 уровень энергии), ядру каждого магнитного изотопа соответствует одна-единственная характеристическая частота перехода для данной величины напряженности магнитного поля Я , определяемая уравнением (14). [c.15] Волны такой длины могут быть генерированы обычными радиотехническими средствами. Они относятся к телевизионному диапазону радиоволн. Для изотопа азота уЫ в поле с той же напряженностью частота перехода ядер между соседними уровнями (V ядер гМ составляет 24,3 рад м/с А) будет лежать в совсем другой области, а именно при 3,1 МГц (к = 96,7 м). Энергия квантов этих волн невелика. [c.16] В табл. 1 приложения приведены значения частоты ЯМР, длины волн поглощения, естественное содержание, магнитные и квадрупольные моменты для наиболее широко используемых в ЯМР ядер, обладающих магнитными свойствами. [c.16] Таким образом, если поместить атомное ядро некоторого изотопа, обладающего магнитными свойствами, в сильное магнитное поле, то оно приобретает способность поглощать или излучать радиоволны, частота которых у каждого изотопа имеет характерное для него значение. [c.16] По этому уравнению можно определить частоту прецессии (ларморову частоту), зная соотношение между угловой скоростью и угловой частотой со = 2яу. [c.16] По форме это уравнение совпадает с уравнением (14). Итак, частота электромагнитного излучения которое может поглощаться или вы деляться ядром, помещенным в магнитное поле, приобретает наглядный физический смысл как частота прецессии этого ядра в данном магнитном поле. [c.17] Из уравнения (16) следует, что чем больше напряженность постоянного магнитного поля Нд, тем больше частота ларморовой прецессии. [c.17] Причем эта частота не зависит от угла 0, так что если магнитные ядра одного изотопа поместить в магнитное поле, то все они будут прецессировать с одинаковой частотой, если это поле однородно. Эта совпадает с выводом, к которому мы пришли ранее, установив эквидистантность энергетических уровней для данного изотопа. [c.17] Предположим теперь, что кроме постоянного поля Н приложено перпендикулярное к нему равномерно вращающееся малое магнитное поле Ях (рис. 3). Это приведет к появлению пары сил Ьопр = [ц X Ях, которая будет стремиться повернуть ядерный магнитный диполь путем изменения угла 0. Однако это происходит не всегда. Если частота вращения ядерного диполя и магнитного поля не совпадает, то единственным результатом их взаимодействия являются слабые периодические возмущения прецессии ядерного магнитного диполя. Наиболее сильное взаимодействие возможно в том случае, когда поле само вращается с ларморовой частотой, причем в ту же сторону, что и магнитное ядро, т. е. синхронно с этим ядром. В этом случае векторы ц и Я1 будут неподвижны один относительно другого. При таком совпадении частот и направлений вращения вектор ядерного магнитного диполя отклоняется от оси вращения Н , а именно если вращение поля Я1 опережает по фазе на 90 вращение диполя, то угол 9 возрастает если вращение поля Ях отстает по фазе на 90° от вращения диполя, то угол 0 уменьшится. В первом случае наблюдается поглощение энергии поля Ях ядерным диполем, во втором, наоборот, поле Я1 будет поглощать энергию ядерного диполя. [c.17] Вернуться к основной статье