Роден вътре
Методите на ядрено-магнитен резонанс (ЯМР)се отнасят до резонансни изследователски методи, тъй като се основават на феномена на резонансно поглъщане от система от атомни ядра, разположени в силно външномагнитно поле Ho, енергията на електромагнитновисокочестотно поле H1. Поради факта, че честотата на полетоН1е в радиообхвата, тези методи се наричат методи на радиоспектроскопия. Същата група методи включва електронен парамагнитен резонанс (EPR), при който, за разлика от ЯМР, се регистрира резонансно поглъщане във външно поле за несдвоени електрони. Във всеки случай, методите на радиоспектроскопията се основават на явлението резонанс в система от частици смагнитни моменти. За да се разберат общите теоретични основи на методите на ЯМР и ЕПР, може да се разгледа най-простата спинова система (по-специално система от протони или водородни ядра).
1. Основи на теорията на ЯМР
1.1. Елементарни условия на резонанс.
Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони, които имат спин (техен собствен механичен момент). Много ядра също имат ненулев общ механичен ъглов моментJ. Такива ядра също имат магнитен моментμи за векторитеμиJе възможно:μ=γJ, къдетоγе скаларна стойност, наречена жиромагнитно отношение.
Според квантовата механика ъгловият импулс съответства на оператораJ, който е свързан със спиновия операторIчрез израза:
къдетоhе константата на Планк.ОператорътI2има собствени стойностиI(I+1),къдетоIе число на завъртане или просто завъртане.
В магнитно полеHo, магнитният момент има енергияE=-μ.H. В квантовата механика е показано, че в случай на постоянно магнитно полеНо, сънасочено с оста Z, операторът на спинова проекция върху тази ос може да приеме една от стойноститеm=I,I-1,…-I, а възможните стойности на енергията са
В най-простата спинова система - системата от водородни ядра (I=1/2) имаме две нива на възможни енергийни стойности с магнитни квантови числа mI=+1/2 и mI= -1/2 (фиг.1).
Фиг. 1. Енергийни нива на ядра със спин ½ в магнитно поле.
За двустепенна система стойността mI=+1/2 съответства на максималните проекции на спина и магнитния момент, ориентирани по посока на полето Но, а mI=-1/2 - срещу полето. Енергийната разлика Е на съседни нива при преходите на спиновете между нивата (промяна на магнитното квантово число m=±1) е равна на:
При отсъствието на външно магнитно поле Ho спиновите нива са изродени и техните енергии имат еднакви стойности.
Ако система от невзаимодействащи магнитни ядра, поставена в постоянно магнитно поле, се облъчи с високочестотно (радиочестотно) поле с честота, енергийните кванти на което съвпадат с Е, то това поле ще предизвика преходи между нивата (това е резонансът в системата от магнитни ядра). В съответствие с квантово-механичните правила за избор, преходите са възможни само между съседни нива, тоест при m=±1, като в този случай резонансната честота на тези преходи е равна на