* Данный текст распознан в автоматическом режиме, поэтому может содержать ошибки

1085 ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС 1086 П о с к о л ь к у м а с с а п р о т о н а п р и м е р н о в 2000 р а з б о л ь ш е м а с с ы э л е к т р о н а , м а г н и т н ы е моменты я д е р з н а ч и т е л ь ­ н о м е н ь ш е м а г н и т н ы х моментов э л е к т р о н о в . И з в с е х я д е р в о д о р о д и фтор ( Н и F ) о к а з ы в а ю т с я с а м ы м и удобными д л я наблюдения Я М Р благодаря наиболь­ ш е й в е л и ч и н е и х м а г н и т н ы х моментов. К р о м е т о г о , п о с к о л ь к у эти элементы в а ж н ы в х и м и ч . а с п е к т е , п р о ­ тонный и фторный резонансы исследованы больше, чем резонансы других ядер. Значительный интерес д л я изучения химич. структуры представляют также резонансы ядер В , С , N , О , Р и др. Ядерные магнитные моменты и в поле внешнего м а г н и т а Я (обычно Я<>—10 —10 эрстед) не п р о с т о располагаются вдоль его силовых линий, а прецесс и р у ю т с у г л о в о й с к о р о с т ь ю со о т н о с и т е л ь н о н а п р а в ­ л е н и я Я . Н а р и с . 1. Я н а п р а в л е н о по о с и Z . Эта прецессия аналогична движению гироскопа в поле силы тяжести. Скорость прецессии: 1 1 8 1 1 1 3 u 1 7 3 1 3 4 0 0 0 0 со =2ял> = у # v = (y/2xt) Я 0 0 0 1 4 0 (3) 4 _ 1 0 Д л я атома водорода — протона, y = 2 , 6 7 - 1 0 - c e « • эрстед& , и в п о л е 1 0 эрстед частота п р е ц е с с и и v = 4 2 , 6 мггц, т. е. н а х о д и т с я в м е т р о в о м д и а п а з о н е радиоволн. Д л я создания условия резонанса введем д а л е е в п л о с к о с т ь ху ( р и с . 1) в е к т о р н е б о л ь ш о г о п о величине поля Н ^.Н , *w вращающегося в направ­ лении прецессии. Н а маг­ нитный момент теперь будет действовать сила (и^Ях), стремящаяся уве­ л и ч и т ь у г о л м е ж д у и. и Я . Е с л и бы п о л е Н в р а щ а л о с ь со с к о р о с т ь ю со, отличной от со по в е ­ личине или направле­ н и ю , оно в ы з ы в а л о бы л и ш ь небольшие кратко­ временные возмущения п р е ц е с с и и . Е с л и ж е дви­ жение поля Н синхронно Рис. 1. Векторная диаграмма, иллюстрирующая возмущение с п р е ц е с с и е й ц., п о я в л я ­ прецессии магнитного момента ется п о с т о я н н о е в о з м у щ а ­ в сильном поле Н слабым ю щ е е д е й с т в и е , «опро­ вращающимся полем Н . к и д ы в а ю щ е е » ц. в о т р и ­ ц а т е л ь н о е н а п р а в л е н и е оси Z . О п р о к и д ы в а н и е м а г н и т ­ ного момента и. т р е б у е т з а т р а т ы н е к - р о й э н е р г и и , к - р а я п о с т у п а е т и з и с т о ч н и к а п о л я Н . Эта э н е р г и я и фиксируется в виде сигнала резонансного поглоще­ ния. Т. обр., явление Я М Р заключается в возмущении прецессии ядерных моментов, н а х о д я щ и х с я в поле Я , 0 х й 0 х 0 х 0 4 х 0 небольшим перемен­ н ы м п о л е м Hi, н а п р а в ­ ленным перпендику­ лярно Н . Резонанс наступает п р и совпа­ дении с к о р о с т и со в р а ­ щающегося поля Н 0 г Рис. 2. Блок-схема ап­ паратуры эксперимен­ тального наблюдения сиг­ нала Я М Р : 1 — магнит; 2 — высокочастотная катушка; 3 — ампула с образцом; 4 — генератор высокой частоты; 5 — приемник (усилитель и детектор); 6 — генератор магнитной развертки; 7 — катушки магнитной развертки; 8 — катодный осциллограф. и с к о р о с т и п р е ц е с с и и со я д е р в п о л е Я : со = со = у Я 0 0 0 0 (4) (Совершенно т а к ж е в е д у т с е б я в м а г н и т н о м п о л е электронные моменты, только частота прецессии и х и, с л е д о в а т е л ь н о , частота э л е к т р о н н о г о р е з о н а н с а Э П Р п р и м е р н о в 2000 р а з б о л ь ш е ) . Д л я практич. наблюдения Я М Р ампула с вещест­ вом, содержащим магнитные я д р а , помещается в к а ­ т у ш к у р а д и о ч а с т о т н о г о г е н е р а т о р а , р и с . 2. О б р а з е ц м о ж е т быть в т в е р д о м , ж и д к о м и л и г а з о о б р а з н о м в и д е . Первые эксперименты с ЯМР были выполнены на а т о м а х в о д о р о д а в п а р а ф и н е и обычной ж и д к о й воде. К а т у ш к а с ампулой располагается в зазоре магнита перпендикулярно направлению поля Я . Генератор создает н а к а т у ш к е с л а б о е п е р е м е н н о е п о л е Н . П р и в ы п о л н е н и и у с л о в и я (4) п р и е м н и к р е г и с т р и р у е т н е ­ б о л ь ш о е и з м е н е н и е н а п р я ж е н и я н а рабочем к о н т у р е в в и д е с и г н а л а , о б щ а я ф о р м а к - р о г о д а н а н а р и с . 3. Основные х а р а к т е р и ­ стики сигнала — и н ­ т е н с и в н о с т ь i^max и ш и р и н а л и н и и 6 Я , изме­ ренная на половине в ы с о т ы с и г н а л а . Сиг­ нал ЯМР может на­ блюдаться на экране катодного осцилло­ графа или записывать­ ся самопишущим по­ тенциометром. В стан­ дартных спектромет­ рах чаще всего часто­ т а г е н е р а т о р а п о д д е р ­ -S -4 - J -2 &1 +/ +2 -W +4 +5 живается постоянной, Развертка аолв (эрстеды) а магнитное поле и з ­ меняется , м е д л е н н о Рис.3. Общая форма сигнала ЯМР: линии; п р о х о д я о б л а с т ь р е ­ F max — интенсввность 6 Н — ширина линии. зонанса. В р е а л ь н ы х в е щ е с т в а х Я М Р н а б л ю д а е т с я не с т р о г о н а одной ч а с т о т е , к а к это с л е д у е т и з у р - н и я (4), а в нек-ром интервале частот. Форма линии может так­ ж е о т л и ч а т ь с я от п р и в е д е н н о й н а р и с . 3. К о н е ч н а я ширина линии обусловлена различием условий пре­ ц е с с и и с о с е д н и х м а г н и т н ы х я д е р в в е щ е с т в е . Эти у с л о в и я о п р е д е л я ю т с я с т р у к т у р о й , а г р е г а т н ы м со­ с т о я н и е м вещества и р я д о м д р у г и х ф а к т о р о в . Поэтому спектры Я М Р стали полезным инструментом п р и ис­ следовании внутреннего строения и межмолекуляр­ ных взаимодействий в твердых, ж и д к и х и газообраз­ ных соединениях. Важным фактором, определяющим ширину и форму линии Я М Р , я в л я е т с я механизм уста­ н о в л е н и я р а в н о в е с н о г о р а с п р е д е л е н и я я д е р н ы х мо­ ментов о б р а з ц а в п о л е Я . П о к а о б р а з е ц н а х о д и т с я в н е м а г н и т н о г о п о л я , о р и е н т а ц и и в е к т о р о в и, о т д е л ь ­ н ы х я д е р х а о т и ч е с к и р а с п р е д е л е н ы п о всем н а п р а в л е ­ н и я м в с л е д с т в и е т е п л о г о д в и ж е н и я атомов и м о л е к у л . П р и в н е с е н и и о б р а з ц а в п о л е Я часть в е к т о р о в и. о р и е н т и р у е т с я по п о л ю , а ч а с т ь ( м е н ь ш а я ) — п р о т и в п о л я , з а счет и з б ы т о ч н о й т е п л о в о й э н е р г и и . В этом случае, согласно п р а в и л а м квантовой механики, ядра м о г у т иметь т о л ь к о о п р е д е л е н н ы е , д и с к р е т н ы е з н а ч е ­ н и я э н е р г и и , Ех и # . П е р е х о д к р а с п р е д е л е н и ю в п о л е Я требует н е к - р о г о в р е м е н и . Т а к и е процессы у с т а н о в ­ ления носят название релаксационных и проходят через взаимодействие релаксируюпшх частиц между собой и с о к р у ж а ю щ е й с р е д о й . В т е о р и и Я М Р р а с ­ сматривается два механизма релаксации. Первый характеризуется временем Т установления теплового равновесия между магнитными ядрами и окружающи­ ми а т о м а м и и м о л е к у л а м и ( с п и н - р е ш е т о ч н а я р е л а к ­ сация). Второй характеризуется временем Т уста­ н о в л е н и я р а в н о в е с и я в самой системе м а г н и т н ы х я д е р (спин-спиновая релаксация). Встречающиеся в экс­ п е р и м е н т а х з н а ч е н и я Т л е ж а т в и н т е р в а л е от 10"* до 1 0 с е к . Д л я т в е р д ы х тел Т б о л ь ш е , чем д л я ж и д ­ костей и газов. Релаксация ограничивает время ж и з н и я д р а в д а н н о м с о с т о я н и и . Это п р и в о д и т к к о н е ч н о м у интервалу частот, в к-ром наблюдается резонанс 0 г 0 0 2 0 г г х 4 х