Ядерный магнитный резонанс.

Еще в первых экспериментах по рассеянию микрочастиц Резерфорд обнаружил, что быстрые частицы могут вступать в ядерные реакции. В результате столкновения появлялись частицы, заряд которых определялся по характеру отклонения в сильном электрическом поле. Были обнаружены нейтральные - частицы (кванты электромагнитного поля), отрицательно заряженные - частицы (быстрые электроны) и положительно заряженные - частицы (они имели двойной заряд электрона и оказались ядрами гелия). Дальнейшее исследование движения этих частиц в сильных магнитных полях показало, что поток - частиц расщепляется на два симметричных пучка, а поток - частиц не расщепляется. Эти результаты были объяснены наличием у частиц собственного механического момента, т.е. спина. Спин электронов определен как , тогда как спин ядра гелия равнялся нулю. Так впервые появилось понятие спина ядра. Более поздние эксперименты показали, что ядра могут иметь разные значения спинов, причем как целочисленные, так и полуцелые.

У некоторых ядер спин полуцелый. Этим такие ядра напоминают электроны и, следовательно, они должны обладать эффектом, напоминающим электронный парамагнитный резонанс. Величина этого эффекта значительно меньше, чем у электронов (влияние различия в массах), но тем не менее ядерный магнитный резонанс наблюдается сравнительно легко. Правда, не во всех веществах.

Рассмотрим в качестве примера чистую воду. Электронные спины атомов воды компенсируют друг друга, и молекулы воды в целом не участвуют в парамагнитном резонансе. Однако у таких молекул имеется небольшой магнитный момент, связанный с моментами ядер водорода (то есть протонов). Если поместить молекулу воды в магнитное поле, то появляются два зеемановских подуровня (спин «верх» и спин «вниз»). В равновесии, согласно распределению Больцмана, на верхнем подуровне находится немного меньше спинов (или протонов), чем на нижнем подуровне. Полной компенсации моментов не происходит и потому единица объема вещества должна иметь небольшой магнитный момент. Он приводит к появлению малой намагниченности вещества (примерно в тысячу раз меньше атомной), то есть к отличию относительной магнитной проницаемости от единицы. Это слабый, но наблюдаемый эффект.

Наблюдение указанного эффекта проводится по схеме электронного парамагнитного резонанса с переменным (сканирующим) магнитным полем. Если магнитное поле изменяется с частотой , то оно вызывает циклические переходы между подуровнями «вверх – вниз». При этом образец то отбирает у поля энергию , то отдает ее обратно. На верхних подуровнях системы находится меньшее спинов, чем на нижних, поэтому происходит поглощение энергии магнитного поля. Это поглощение можно зарегистрировать. Эффект усиливается за счет его резонансного характера. При этом частоту изменения магнитного поля оставляют постоянной, а напряженность этого поля подбирают так, чтобы циклотронная частота

(2.4.1)

совпадала с . Это происходит при напряженности поля

. (2.4.2)

В формулах (1) и (2) и – масса и заряд протона.

Поскольку величина магнитного поля должна быть достаточно большой, удобнее использовать две катушки – одну с постоянным током, создающую сильное магнитное поле, и вторую с переменным током требуемой частоты.

Поскольку органические ткани содержат большое количество воды, метод ядерного магнитного резонанса широко используется в биологии и медицине. Он даже получил дополнительное название протонный магнитный резонанс. Однако в ядерном магнитном резонансе используют не только протоны, но также ядра изотопов (углерода, азота, фосфора) и других. Поскольку в ядерном магнитном резонансе участвуют избранные изотопы, то эффект может быть использован для слежения за распространением данного изотопа в среде (в том числе – живой). Это дает замечательную возможность следить за распространением и усвоением лекарств, динамикой вступления реагентов в различные химические реакции, влиянием температуры, растворителей и других факторов.

Частоты, на которых работают стандартные устройства для изучения ядерного магнитного резонанса, лежат в диапазоне 300 – 500 МГц. Это удобно для исследований, так как указанный диапазон хорошо освоен и обеспечен надежными радиотехническими устройствами.

Создание неоднородных в пространстве магнитных полей позволяет без разрушения образца изучать его отдельные части – те области, где напряженность поля создает резонансные условия. Ядерный магнитный резонанс используется для томографических исследований живых организмов, в частности, головного мозга человека. С помощью этого метода проводится ранняя диагностика опухолевых заболеваний и тонких нарушений обменных процессов в организме.