Ядерный магнитный резонанс

Основы метода

1. Условия резонанса

Как известно, атомы состоят из атомных ядер и электронных оболочек. Каждое атомное ядро несет положительный заряд, кратный заряду ядра водорода (протона). Помимо этого, некоторые ядра ведут себя как слабые постоянные магниты.

Для понимания ядерного магнетизма можно воспользоваться следующей воображаемой моделью.

Представим себе ядро в виде шарика, в котором более или менее равномерно распределен положительный заряд. Если предположить, что этот шарик вращается, то его заряд будет двигаться по круговой орбите вокруг оси вращения. Таким образом возникает круговой электрический ток. Известно, что электрический ток связан с магнитным полем. Следовательно, вращающееся ядро индуцирует магнитное поле, т.е. является магнитом.

Ядра, вращающиеся вокруг своей оси, имеют собственный момент количества движения, который называют также спином ядра. Магнетизм ядра количественно выражается магнитным моментом. Если атомное ядро имеет спин, то оно также имеет магнитный момент.

Магнитный момент и спин ядра взаимно пропорциональны. Константа пропорциональности называется гиромагнитным отношением:

Экспериментально установлено, что не все атомные ядра имеют магнитный момент. Например, ядра ¹²С, ¹⁶О, ³²S не магнитны и не имеют спина. Это ядра с четным числом нейтронов и протонов. К ядрам с магнитным моментом относятся ядра ¹H, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁷O, ¹⁹F и многие другие.

Если магнитное атомное ядро поместить в магнитное поле, то на него будет действовать ориентирующая сила. В качестве примера рассмотрим поведение стрелки компаса в магнитном поле Земли.

Стрелка компаса сама являющаяся магнитом ориентируется в магнитном поле Земли. В положении равновесия она располагается параллельно магнитным силовым линиям поля Земли. Если стрелку компаса повернуть на некоторый угол θ, а затем отпустить, то она возвратится в положение равновесия, которому соответствует минимум энергии. Энергия стрелки тем выше, чем большее отклонение от положения равновесия, т.е. чем больше угол θ:

Для стрелки компаса можно произвольно выбирать угол θ и тем самым – любое значение энергии в интервале от + μH до – μH. Магнитные атомные ядра, напротив, имеют лишь несколько разрешенных ориентаций и, следовательно, несколько энергетических уровней. Число возможных направлений спина зависит от вида ядра. Каждое ядро имеет спиновое квантовое число I, из которого выводится число разрешенных направлений

Различным направлениям спина ядра во внешнем магнитном поле соответствуют различные проекции на направление магнитного поля (примем, что силовые линии имеют отрицательное направление вдоль оси Z). Различные проекции будут отличаться магнитным квантовым числом m_I :

Магнитное квантовое число принимает значения I, I-1, I-2 … -I (всего 2I + 1 различных значений). В соответствии с этим спин ядра имеет 2I + 1 возможных направлений во внешнем магнитном поле (рис.3).

Эти уровни можно обнаружить так же как и электронные состояния, если пронаблюдать возбужденные переходы между ними. Переход с одного уровня на другой здесь равнозначен изменению направления, т.е. переориентации спина. При этом выделяется или поглощается энергия в виде электромагнитного излучения, частота которого в соответствии с уравнениями 3 и 7 определяется выражением:

Такие переходы действительно можно вызвать, если воздействовать на ядро переменным полем H₁ с этой частотой ν. Гиромагнитное отношение γ является специфической ядерной константой и определяется видом исследуемого ядра. Напряженность постоянного магнитного поля берется обычно порядка 10-25 кЭ. Тогда необходимая для перехода частота переменного магнитного поля H₁ будет располагаться в области радиоволн (1-100 МГц).