Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Контрольная работа. 59. Магнитный момент электронов и ядер атомов

Читайте также:
  1. A) дохода лица, работающего по найму и b) дохода самозанятого лица.
  2. III. Работа над темой
  3. Quot;Бедные и средний класс работают ради денег". "Богатые заставляют деньги работать на себя".
  4. Quot;РАБОТА" ЛЮБВИ
  5. V. Самостоятельная работа студентов.
  6. V.Игра «Мы работаем на фабрике».
  7. VIII. Самостоятельная работа студентов

 

59. Магнитный момент электронов и ядер атомов. Теоретические основы метода ЯМР. Прецессия, Ларморова частота.

60. Блок-схема установки ЯМР. Спектр ЯМР. ЯМР- томография. Применение в медицинской практике.

 

 

Выполнила:

студентка, 13 фз группы

фарм. факультета

Кайрлла Айгерим Артыковна

Проверила: доцент кафедры

медицинской и биологической

физики Колосова Н.И.

 

Дата получения деканатом__________

 

 

г.Оренбург 2014 год


 

Содержание

 

Введение. 4

1. Из истории спектроскопии магнитного резонанса. 4

2. Магнитный момент электронов и ядер атомов. 5

2.1. Магнитный момент электронов в ядре. 5

2.2. Магнитный момент ядра атомов. 6

3. Теоретические основы метода ЯМР. 7

4. Прецессия Ларморова частота. 9

Теорема Лармора. 9

5. Блок-схемы установки ЯМР. 11

6. Спектр ЯМР. 12

7. ЯМР- томография. 13

Заключение. 22

Список литературы.. 23

 

 

Введение

 

1. Из истории спектроскопии магнитного резонанса.

 

До недавнего времени основой наших представлений о структуре атомов и молекул служили исследования методами оптической спектроскопии. В связи с усовершенствованием спектральных методов, продвинувших область спектроскопических измерений в диапазон сверхвысоких (примерно 103 - 106 МГц; микрорадиоволны) и высоких частот (примерно 10-2 - 102 МГц; радиоволны), появились новые источники информации о структуре вещества. При поглощении и испускании излучения в этой области частот происходит тот же основной процесс, что и в других диапазонах электромагнитного спектра, а именно при переходе с одного энергетического уровня на другой система поглощает или испускает квант энергии.
Сверхтонкая структура атомных спектров навела Паули в 1924 г. на мысль о том, что некоторые ядра обладают моментом количества движения (угловым моментом), а, следовательно, и магнитным моментом, взаимодействующим с атомными орбитальными электронами. Впоследствии эта гипотеза была подтверждена спектроскопическими измерениями, которые позволили определить значения угловых и магнитных моментов для многих ядер.
Под влиянием внешнего магнитного поля магнитные моменты ядер.В 1921г. Штерн и Герлах методом атомного пучка показали, что измеримые значения магнитного момента атома дискретны соответственно пространственному квантованию атома в неоднородном магнитном поле. В последующих экспериментах, пропуская через постоянное магнитное поле пучок молекул водорода, удалось измерить небольшой по величине магнитный момент ядра водорода. Дальнейшее развитие метода состояло в том, что на пучок воздействовали дополнительным магнитным полем, осциллирующим с частотой, при которой индуцируются переходы между ядерными энергетическими уровнями, соответствующими квантовым значениям ядерного магнитного момента.

В 1936г. Горнер пытался обнаружить резонанс ядер Li7 во фтористом литии и ядер H1 в алюмокалиевых квасцах. Другая безуспешная попытка была предпринята гортнером и Бруром в 1942г. Регистрацию поглощения высокочастотной энергии при резонансе в этих экспериментах предполагалось производить соответственно калориметрическим методом и по аномальной дисперсии. Основной причиной неудач этих опытов был выбор неподходящих объектов. Лишь в конце 1945 года двумя группами американских физиков под руководством Ф. Блоха и Э.М. Пурселла впервые были получены сигналы ядерного магнитного резонанса. Блох наблюдал резонансное поглощение на протонах в воде, а Парселл добился успеха в обнаружении ядерного резонанса на протонах в парафине. За это открытие они в 1952 году были удостоены Нобелевской премии.

2. Магнитный момент электронов и ядер атомов

 

2.1. Магнитный момент электронов в ядре

 

Электрон в атоме движется вокруг ядра. В классической физике движению точки по окружности соответствует момент импульса L=mvr, где m – масса частицы, v – её скорость, r – радиус траектории. В квантовой механике эта формула неприменима, так как неопределенны одновременно радиус и скорость (см. "Соотношение неопределенностей"). Но сама величина момента импульса существует. Как его определить? Из квантово-механической теории атома водорода следует, что модуль момента импульса электрона может принимать следующие дискретные значения:

 

   

где l – так называемое орбитальное квантовое число, l = 0, 1, 2, … n- 1. Таким образом, момент импульса электрона, как и энергия, квантуется, т.е. принимает дискретные значения. Заметим, что при больших значениях квантового числа l (l >> 1) уравнение (40) примет вид . Это не что иное, как один из постулатов Н. Бора.

Из квантово-механической теории атома водорода следует еще один важный вывод: проекция момента импульса электрона на какое-либо заданное направление в пространстве z (например, на направление силовых линий магнитного или электрического поля) также квантуется по правилу:

 

 

где m = 0, ± 1, ± 2, …± l – так называемое магнитное квантовое число.

Электрон, движущийся вокруг ядра, представляет собой элементарный круговой электрический ток. Такому току соответствует магнитный момент pm. Очевидно, что он пропорционален механическому моменту импульса L. Отношение магнитного момента p m электрона к механическому моменту импульса L называется гиромагнитным отношением. Для электрона в атоме водорода:

 

(знак минус показывает, что вектора магнитного и механического моментов направлены в противоположные стороны). Отсюда можно найти так называемый орбитальный магнитный момент электрона:

   

Эта величина,как видим, также квантуется. В формуле величина является константой. Обозначим её mв и назовем магнетоном Бора. Магнетон Бора служит естественной единицей магнитного момента электрона, так как значения магнитного момента кратны величине mв:

 

 

2.2. Магнитный момент ядра атомов

 

Магнитный момент ядра — это векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества:

 

 

— Магнитный момент ядра

— Собственный момент количества движения ядра

— Гиромагнитное отношение
— Постоянная Дирака

— Спин ядра

 

В отличие от электронов магнитные моменты ядер возникают лишь при наличии у них собственного момента количества движения. Согласно законам квантовой механики наблюдаемая в опытах величина собственного момента количества движения ядра (р) может принимать значения, кратные

В магнитном моменте, I – спин ядра (1/2,1,3/2,2…). Протоны, электроны и нейтроны обладают спином. Каждый непарный электрон имеет спин равный 1/2. Каждый непарный протон имеет спин равный 1/2. Каждый непарный нейтрон имеет спин равный 1/2. Почти каждый элемент периодической таблицы имеет изотоп с ядерным спином, отличным от нуля.

— гиромагнитное отношение. Оно может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Т.е. магнитный момент ядра направлен либо вдоль либо против вектора момента импульса ядра. Если, ядро не имеет магнитного момента.

 

3. Теоретические основы метода ЯМР

 

 

№ п/п Наименование раздела дисциплины Содержание раздела
1. Введение и теоретические основы метода ЯМР ЯМР спектроскопия и её место среди физических методов изучения процессов и продуктов органической химии. Элементы теории явления ЯМР. История развития метода (И. Раби, Ф. Блох, Э. Пёрселл). Спиновые числа и магнитный момент атомов, эффект Зеемана, Ларморовские частоты. Условия магнитного резонанса. Спад свободной индукции. Времена продольной и поперечной релаксации. Устройство приборов ЯМР.
2. Параметры спектров ЯМР 1H и 13C Применяющиеся растворители, внутренний и внешний стандарты. Параметры спектров ЯМР, их информативность. Ширина и интенсивность линии ЯМР. Интегрирование. Химический сдвиг. Химические сдвиги ядер 1H и 13C органических молекул. Понятие о тонкой структуре спектров ЯМР 1H и 13C, КССВ.
3. Параметры спектров ЯМР 14,15N, 19F, 17O, 31P, 33S Химические сдвиги ядер 14,15N, 17O, 19F, 31P, 33S органических молекул. Вид резонансных сигналов. Область применения, ограничения.
4. Спин-спиновое взаимодействие Спин-спиновое взаимодействие в спектрах 1H, 13С и 19F. КССВ 1H-1H, 1H-13С, 13С-13С, 1H-19F, 19F-13С.
5. Зависимость КССВ от пространственно положения взаимодействующих ядер Зависимость величины КССВ 1H-1H от взаимного расположения взаимодействующих протонов. 2 J, 3 J, 4 J, 5 J. Характеристичные КССВ (цис -, транс -алкены, ароматические протоны, производные циклогексана) Зависимость Карплуса. Практическое применение.
6. Специальные методы спектроскопии ЯМР 1H и 13C Специальные методы спектроскопии ЯМР. Исследование стереодинамики и конформаций молекул. Двумерные методики COSY. Ядерный эффект Оверхаузера. Теоретические основы и вид спектров ЯЭО.
7. Особенности ЯМР различных классов органических соединений Характеристичные сигналы в протонных и углеродных спектрах алкенов, алкинов, аренов, карбоновых кислот и карбонильных соединений. Их использование для установления структуры.
8. Современные методики спектроскопии ЯМР Возможности современных методик спектроскопии ЯМР 1H и 13С в установлении структуры сложных органических соединений. DEPT, HSQC, HMBC.
9. Вид и расшифровка спектров ЯМР 1H Фурье преобразование фидов. Компьютерные программы обработки данных ЯМР. Положение резонансных сигналов групп в протонных спектрах. Зависимость химического сдвига от химического окружения.
10. Химический сдвиг Интерпретация структуры органических соединений в спектрах без КССВ с использованием ЯМР 1H и элементного анализа. Число ненасыщенности.
11. Расшифровка спектров с использованием химического сдвига и КССВ ЯМР 1H Основные виды мультиплетов в спектрах ЯМР 1H. Примеры КССВ 1H-1H в различных классах органических соединений. Определение структуры неизвестных соединений по спектрам ЯМР 1H (брутто-формула дана).
12. Расшифровка спектров с использованием характеристичных КССВ ЯМР 1H Характеристичные КССВ различных классов органических соединений в протонных спектрах. Их использование для установления структуры неизвестного вещества.
13. Углеродные спектры Спектры ЯМР 13С. Их роль в установлении структуры органических соединений. Диапазон химических сдвигов. Неразвязанный спектр 13С, зависимость КССВ 1H-13С от химического окружения. Спектр 13С с полной развязкой от протонов (палочковый спектр). Спектры 13С с сортировкой, методики DEPT.
14. Расшифровка спектров неизвестных соединений с использованием спектров ЯМР 1H и 13С (без использования КССВ) Определение строения простых органических соединений по совокупности данных ЯМР 1H и 13С.
15. Расшифровка спектров неизвестных соединений с использованием спектров ЯМР 1H и 13С (с использованием КССВ) Определение пространственного строения органических соединений по совокупности данных ЯМР 1H и 13С с учётом величин КССВ.
16. Расшифровка спектров неизвестных соединений с использованием спектров ЯМР 1H и 13С (с использованием двумерных методик) Определение строения органических соединений по совокупности данных ЯМР 1H и 13С с использованием методик COSY, NOESY, HSQC, HMBC. Примеры.

 

4. Прецессия Ларморова частота

 

Теорема Лармора

Предположим, что у всех частиц отношение e / m зарядов к массам одинаково, и положим

Ω = H. (45.4)

Тогда при достаточно малых H (когда можно пренебречь членами с H 2) функция Лагранжа приобретает вид

L = + e [ Hr ] vU.

Мы видим, что она совпадает с функцией Лагранжа, которой описывалось бы движение рассматриваемых зарядов в неподвижной системе координат при наличии постоянного магнитного поля.

Таким образом, мы приходим к результату, что в нерелятивистском случае поведение системы зарядов с одинаковыми отношениями e / m, совершающих финитное движение в центрально-симметричном электрическом поле и в слабом однородном магнитном поле H, эквивалентно поведению этой же системы зарядов в том же электрическом поле в системе координат, равномерно вращающейся с угловой скоростью (45.4). Это утверждение составляет содержание так называемой теоремы Лармора, а угловая скорость Ω= eH /(2 mc) называется ларморовой частотой.

К этому же вопросу можно подойти с другой точки зрения. При достаточно слабом магнитном поле H ларморова частота мала по сравнению с частотами финитного движения данной системы зарядов, и можно рассматривать относящиеся к этой системе величины, усредненные по временам, малым по сравнению с периодом 2π/Ω. Эти величины будут медленно (с частотой Ω) меняться со временем.

Рассмотрим изменение среднего механического момента системы M. Согласно известному уравнению механики производная M равна моменту действующих на систему сил K. Поэтому имеем, с помощью формулы (45.1):

= = [ H ].

Если отношение e / m для всех частиц в системе одинаково, то механический и магнитный моменты пропорциональны друг другу, и с помощью формул (44.5) и (45.4) находим

= −[ Ω ] (45.5)

Это уравнение означает, что вектор (а с ним и магнитный момент ) вращается с угловой скоростью − Ω вокруг направления поля, сохраняя при этом свою абсолютную величину и угол, образуемый им с этим направлением (так называемая ларморовапрецессия).

 

 

 

 

5. Блок-схемы установки ЯМР.

 

Для проведения эксперимента применен разработанный и изготовленный автором двухкатушечный помехоустойчивый датчик ЯМР с внешним образцом.

Для получения сигнала ядерной индукции в земном магнитном поле применен способ медленного выключения поля, так как индуктивность системы из двух катушек (коэффициент связи 0.5) достаточно велика: L=0.764 Гн,- и осуществить неадиабатическое быстрое выключение трудно.

Блок – схема электронной части ЯМР релаксометра представлена на рис.1

 

1. Контроллер «Электроника-МС2702»

2. Интерфейс связи

3. Коммутатор постоянного тока

4. Формирователь радиочастотных импульсов

5. Аналого – цифровой преобразователь

6. Амплитудный детектор

7. Предусилитель

8. Регистрирующее устройство

6. Спектр ЯМР

Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

· сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;

· интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;

· ядра, лежащие через 1–4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и 13С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

 

7. ЯМР- томография

 

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса – метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения.

В действительности же ЯМР – томографию (МРТ) изобрёл в 1960 г. В.А. Иванов, что удостоверено патентом СССР с такой датой приоритета.

Некоторое время существовал термин ЯМР – томография, который был заменён на МРТ в 1986 году в связи с развитием радиофобии у людей после Чернобыльской аварии. В новом термине исчезло упоминание на «ядерность» происхождения метода, что и позволило ему достаточно безболезненно войти в повседневную медицинскую практику, однако и первоначальное название также имеет хождение.

За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. В создание магнитно-резонансной томографии известный вклад внёс также Реймонд Дамадьян, один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ – сканера.

Томография позволяет визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным без вмешательства исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ).


Дата добавления: 2015-07-14; просмотров: 130 | Нарушение авторских прав


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Порядок измерений и вычислений| Метод ядерного магнитного резонанса

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.017 сек.)