kompendium_po_fizike

увеличиваться в объёме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента, – ферромагнетик намагничивается. При достаточно сильном поле все домены целиком поворачиваются в направлении поля, и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения. Вектора намагниченности различных доменов могут быть ориентированы хаотически − в этом случае намагниченность всего образца равна нулю. Однако если такой образец поместить в магнитное поле, то домены, намагниченность которых направлена параллельно полю, начнут расти за счет других доменов. Увеличивая магнитное поле, можно добиться того, что во всем веществе останется только один домен с намагниченностью, направленной вдоль поля. Все остальные домены будут им поглощены. Получится образец, в котором магнитные спиновые моменты всех атомов направлены в одну сторону (магнитное насыщение). В этом случае магнитное поле может возрасти в 1000 и более раз (µ≥1000). Если после того, как ферромагнетик намагничен (даже не до насыщения), внешнее магнитное поле устранить, начнется распад крупных доменов на более мелкие. Однако полного хаоса при этом не возникнет и достигнутая намагниченность частично сохранится. Это используют при изготовлении постоянных магнитов. Отметим еще одно свойство ферромагнетиков. Для каждого ферромагнитного вещества существует температура (точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства полностью исчезают и вещество становится парамагнетиком. В медицине ферромагнетики находят разнообразное применение: исправление грудной клетки у детей, магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного наружного свища ободочной кишки, для удаления железных частичек из глаз и др.

5. Магнитные свойства биологических тканей. Воздействие магнитного поля на биологические объекты

Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет.

221

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Так, например, имеются сведения:

–о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле;

–об угнетении роста бактерий в магнитном поле;

–о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле;

–об ориентации растений в магнитном поле;

–о влиянии магнитного поля на нервную систему и изменении характеристик крови;

–об эффективности процессов регенерации при действии низкочастотного магнитного поля.

Первичными физическими или физико-химическими процессами при действии магнитного поля на биологические системы могут быть: ориентация молекул, изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле, силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы, перемещающиеся вместе с биологической жидкостью и др.

Магнитотерапия − метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм низкочастотного переменного или постоянного магнитного поля.

Магнитные поля по направлению силовых линий могут быть постоянными и переменными и генерироваться в непрерывном или прерывистом (импульсном) режимах с разной частотой, формой и длительностью импульсов. Магнитное поле, возникающее между северным и южным полюсами магнита, может быть однородным и неоднородным.

6. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Молекула или ее часть, имеющая неспаренный электрон, называется свободным радикалом.

С токи зрения химии, наличие в молекуле неспаренного электрона есть ничто иное, как наличие у нее свободной валентности. Поэтому свободные радикалы очень активны в химическом отношении. Они легко вступают в химические связи с другими молекулами и химическими соединениями, чем

222

оказывают большое влияние на протекание многих процессов в биологических системах.

Наиболее важную роль в биологических системах играют следующие виды радикалов:

1)свободные радикалы воды (гидроксильный, перекисный, супероксид);

2)свободные радикалы органических молекул, образующиеся при действии ионизирующей и ультрафиолетовой радиации;

3)свободные радикалы хинонов;

4)свободные радикалы липидов.

Основное физическое отличие свободных радикалов от других молекул состоит в том, что свободные радикалы парамагнитны, т.е. обладают собственным магнитным моментом, тогда как стабильные молекулы его не имеют, т.е. они диамагнитны. Именно это различие в магнитных свойствах и позволяет обнаруживать свободные радикалы среди других молекул.

Основным физическим методом изучения свободных радикалов в биологических системах является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Метод ЭПР получил большое распространение в биологии и медицине именно благодаря его способности определять наличие и вид свободных радикалов в биологических системах, исследовать кинетику биохимических реакций с их участием. При этом важно, что метод неинвазивный, безвредный, и позволяет исследовать процессы, протекающие в живых организмах не внося никаких изменений в их жизнедеятельность.

Явление ЭПР, открытое в 1944 г. советским физиком Завойским Е.К., обусловлено тем, что молекулы парамагнитных веществ обладают собственным магнитным моментом, и благодаря этому, могут взаимодействовать с внешним магнитным полем. Такие взаимодействия ведут к изменениям в структуре энергетических уровней молекулы, что можно зарегистрировать специальной аппаратурой. Парамагнитные свойства свободных радикалов, а также других парамагнитных молекул обусловлены наличием у них неспаренных электронов.

Известно, что электрон обладает собственным механическим

223

моментом j (спином), а поскольку электрон электрически

заряжен, это приводит к наличию у него и соответствующего магнитного момента:

s e j , me

где e и me − соответственно, заряд и масса электрона.

Но этот неспаренный электрон одновременно движется и по своей орбите в атоме или молекуле и, как любой круговой ток, он создает еще один орбитальный магнитный момент. В результате полный магнитный момент электрона в атоме или молекуле равен

e g 2me e j .

Множитель g , называемый фактором Ланде, зависит от вида

свободного радикала и для большинства изученных радикалов принимает значения от 2,0000 до 2,0060.

Если бы в молекуле все электроны были спарены, то их магнитные моменты были попарно противоположны и скомпенсировали бы друг друга. Но если атом или молекула имеют неспаренный электрон, подобно свободным радикалам, то его магнитный момент скомпенсирован не будет, и молекула в целом будет иметь соответствующий магнитный момент, то есть, обладать парамагнитными свойствами.

В отсутствие внешнего магнитного поля этот факт никак не проявляется, поскольку энергия электрона в атоме или молекуле в отсутствие поля имеет вполне определенную величину E0 ,

которая не зависит от величины и ориентации его магнитного момента в пространстве, или, другими словами, валентный электрон имеет вполне определенный уровень энергии E0 в

молекуле.

Если же поместить такую молекулу во внешнее магнитное поле индукцией B , то ее магнитный момент начнет взаимодействовать с этим внешним полем, стремясь сориентироваться относительно него определенным образом. При этом, согласно квантовой механике, магнитный момент электрона может занять лишь два возможных положения: либо по направлению поля, либо противоположно ему.

224

Если говорить более точно, то квантово-механическое рассмотрение требует, чтобы проекция механического момент электрона на направление внешнего магнитного поля принимала лишь определенные значения:

jB 2h ms

где ms 12 − магнитное спиновое квантовое число электрона.

Энергия взаимодействия магнитного момента электрона с внешним магнитным полем равна:

Eвз. ( s )в B g 2me e jB B 12 g Б B .

Постоянная величина Б eh 9, 274 10 24 A м2 называется

4 me

магнетоном Бора.

Теперь полная энергия электрона в молекуле в магнитном поле равна:

E E0 Eвз E0 g Б B .

Знак «+» в этом уравнении соответствует ориентации магнитного момента электрона против направления поля, а знак «-» − вдоль поля. Таким образом, внесение молекулы во внешнее магнитное поле индукцией В приводит к расщеплению прежнего энергетического уровня E0 на два новых уровня энергии:

E1 E0 12 g Б В( ) , E1 E0 12 g Б В( ) .

Величина этого расщепления прямо пропорциональна величине внешнего магнитного поля:

E E2 E1 g Б B .

Таким образом, основной энергетический уровень парамагнитных ионов и молекул во внешнем магнитном поле расщепляется на два энергетических состояния E1 и E2 ,

различающихся противоположным направлением спина валентного электрона (рисунок 91).

225

E

E

E

B=0

B≠0

Рисунок 91. Расщепление электронного уровня парамагнитной молекулы в магнитном поле

Большая часть молекул (ионов) при этом будет находиться в нижнем энергетическом состоянии E1 , как энергетически более

выгодном.

Если теперь облучить такую систему электромагнитным полем резонансной частоты (энергия кванта равна энергии перехода)

	рез	E2 E1		1 g Б B ,
		h
				h
	то будут наблюдаться как переходы снизу вверх (с уровня E1
	на уровень			E2 ), соответствующие поглощению кванта

электромагнитного поля, так и переходы сверху вниз (с уровня E2 на уровень E1 ), соответствующие испусканию такого же кванта. И

те и другие переходы сопровождаются переориентацией спина электрона и, соответственно, магнитного момента электрона.

Поскольку на нижнем энергетическом уровне E1 всегда

находится больше молекул, чем на верхнем, то поглощение будет преобладать над испусканием, и в целом будет наблюдаться явление резонансного поглощения электромагнитного излучения частоты рез .

Явление резонансного поглощения электромагнитного излучения атомными или молекулярными парамагнитными системами, находящимися в магнитном поле, и сопровождающееся переориентацией спина электрона

226

dK dB

называют электронным парамагнитным резонансном (ЭПР).

Электромагниты 1 создают постоянное магнитное поле индукцией В, величина которого может изменяться по желанию экспериментатора (за счет изменения тока в обмотках электромагнита) (рисунок 92).

1

N

5

hv

3 2 4

S

Рисунок 92. Схема установки для наблюдения ЭПР

В это поле помещается исследуемый образец 2. Источник 3 облучает образец электромагнитным полем фиксированной частоты (обычно СВЧ диапазона), приемник 4 определяет интенсивность прошедшего излучения, система регистрации 5 записывает ЭПР-спектр.

Поскольку частота используемого в установке электромагнитного излучения строго фиксирована, то выполнения резонансного поглощения добиваются изменением индукции магнитного поля: увеличивая ток в обмотках электромагнитов, увеличивают величину налагаемого на образец магнитного поля В, а, следовательно, и величину энергетического расщепления E в молекулах. Когда величина этого расщепления становится равной энергии электромагнитного кванта hv , наблюдается резкое возрастание коэффициента поглощения образца К, что и фиксируется приемником излучения.

Но по техническим причинам удобнее регистрировать не зависимость К от В, а зависимость от В (см. рисунок 93).

227

dK/dB

B

Bрез

Рисунок 93. Спектр ЭПР

Спектр ЭПР позволяет получить следующую информацию:

Каждый свободный радикал характеризуется своим значением фактора Ланде, что позволяет уверенно идентифицировать свободные радикалы по положению линий в ЭПР-спектре (по значению Врез.). Поскольку частота электромагнитного излучения известна и строго фиксирована, то, зная из спектра ЭПР значение Врез., можно вычислить фактор Ланде исследуемого радикала:

g hv

Б Bрез. ,

иопределить, тем самым, вид этого свободного радикала.

Площадь S под линией ЭПР позволяет судить о количестве N свободных радикалов (парамагнитных молекул) в образце:

N S ,

где S – площадь под кривой поглощения, − коэффициент пропорциональности.

Форма ЭПР-линий несет информацию о физических свойствах среды, в которой находится исследуемый радикал: чем шире линия, тем более вязкая среда, и наоборот. Таким образом, определяется вязкость липидного бислоя и других

228

клеточных структур.

Воздействие электронов между собой и с магнитным полем ядра проявляется в виде расщепления линий ЭПР на несколько близких компонент.

В спектрах ЭПР имеется 2 типа таких расщепления:

1)электронное расщепление обусловлено наличием у атома или молекулы не одного, а двух и более неспаренных электронов;

2)сверхтонкое расщепление вызвано взаимодействием магнитного момента электрона не только с внешним магнитным полем, но и магнитным полем ядра атома.

Парамагнитные метки и зонды. В последнее время с помощью ЭПР изучают поведение в биологических системах не только свободных радикалов, но

CH3

и других биологических молекул

– белков, нуклеиновых кислот,

предварительно

превратив

их в

CH3

R1

парамагнитные зонды, поскольку

C

сами

они

обычно

не

N O

парамагнитны.

Парамагнитный

зонд

представляет

собой

R2

C

соответствующий

белок

или

липид, в котором одна из групп

замещена

на

устойчивый

CH3

свободный радикал, называемый

CH3

парамагнитной

(спиновой)

меткой.

Рисунок 94. Структурная	Основу	многих	меток
формула иминоксильного	составляет	иминоксильный
радикала	радикал, парамагнитные свойства
	которого	определяются
неспаренным электроном,	локализованным	в группе	N-O
(рисунок 94).

Форма сигнала ЭПР от такого зонда зависит от вращательной

229

подвижности той химической группы или макромолекулы в целом, в состав которой он входит. Чем сильнее заторможено такое вращение, тем шире сигнал ЭПР. На интенсивность сигнала также влияет полярность окружающей среды (растворителя).

Метод ЭПР обладает чувствительностью и избирательностью для непосредственного наблюдения свободных радикалов, возникающих при протекании многих биологически важных реакций: окислительно-восстановительных, радиационного поражения, фотосинтеза и др.

230