Природа ЯМР.

Все ядра с нечетным массовым числом имеют механический момент спин I. Такие ядра, как ¹Н, ¹³С, ¹⁹F, ³¹Р, имеют I =1/2. Ядра с четными массовыми числами либо вообще не имеют спина (для ¹²С и ¹⁶O I =О) или имеют целочисленное значение спина (для ²Н и ¹⁴N I =1). Рассмотрим природу ЯМР для протона - наиболее простого ядра со спином I =1/2.

Вращение заряженного ядра (протона) приводит к возникновению ядерного магнитного момента

μ_Я = g_яβ_я İ (4.1)

где g_я, — ядерный g-фактор. Ядерный магнетон β_я, равный 5,05·10^-27Дж·Тл^-1, записывается как

β_я = (e ħ)/(2 M _п ) (4.2)

где М _п - масса ядра протона; е — заряд протона; ħ=h/(2π). Если подставить (4.1) в (4.2), магнитный момент запишется

μ_я = ((g_я e)/2 M _п)ħ I = γħ I (4.3)

где γ — гиромагнитное отношение ядра.

Учитывая наличие у протона магнитного момента, мы можем схематически представлять протоны как элементарные магнитные стрелки. Если внешнее поле отсутствует, то протоны (магнитные стрелки) имеют хаотическое распределение. При наложении внешнего магнитного поля H ₀, возникает взаимодействие между магнитным моментом μ_я протона и Н ₀. Энергия взаимодействия запишется как

E = -μ_я H ₀= -g_яβ_я IH ₀(4.4)

Для протона ядерное спиновое квантовое число может быть равно или +1/2, или -1/2. Во внешнем магнитном поле H ₀, возможны две ориентации протонов: магнитные стрелки ориентируются по полю с Е ₁=-1/2g_яβ_я IН ₀ и против поля с Е ₂=-1/2g_яβ_я IН ₀. Разность энергий между уровнями равна

Δ E = E ₂ – E ₁= g_яβ_я Н ₀ (4.5)

Распределение протонов по уровням Е ₁ и Е ₂записывается согласно больцмановскому распределению

n₂/n₁ = e ^ΔE/(k0·T) (4.6)

В магнитном поле Н ₀=10000 Гс при Т =300 К, отношение составляет всего 1,000007. Это указывает на то, что при комнатной температуре энергия взаимодействия протона с магнитным полем мала по сравнению с разупорядочивающей тепловой энергией k₀T и поэтому наблюдается ничтожное число ядер, ориентированных по полю (0,0007%). Однако этот маленький избыток ориентированных ядер будет создавать намагниченность вещества и вызывать поглощение ЯМР.

Для того чтобы выявить разность двух энергетических уровней Δ Е, необходимо наложить переменное электромагнитное поле определенной частоты ν. Поглощение энергии этого поля будет происходить при условии, что магнитный вектор переменного поля перпендикулярен направлению постоянного магнитного поля Н ₀ и частота поля ν₀ удовлетворяет условию ядерного магнитного резонанса:

hν₀ = g_яβ_я H ₀ (4.7)

Поглощенная энергия тратится на изменение одной ориентации протонов в другую. Для изучения ЯМР используются ЯМР-спектрометры. На рис. 9 представлена упрощенная блок-схема ЯМР-спектрометра. В ЯМР-спектрометрах используется постоянная частота электромагнитного поля ν_0, а для получения резонанса изменяется величина внешнего магнитного поля Н. Рассмотрим, какие параметры измеряют с помощью ЯМР-спектроскопии.

Рис. 9 Блок-схема ЯМР-спектрометра:

1 - образец; 2 - магнит внешнего поля Н; 3 - генератор внешнего магнитного поля; 4 -генератор электромагнитного поля; 5 - катушка для передачи электромагнитного поля частотой ν; 6 – приемная катушка; 7 – система регистрации сигнала ЯМР

Дата добавления: 2015-07-19