Спектроскопия магнитного резонанса - Курсовая работа

Спектроскопия магнитного резонансаСверхтонкая 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 ориентируются определенным образом, и появляется возможность наблюдать переходы между ядерными энергетическими уровнями, связанными с этими разными ориентациями: переходы, происходящие под действием излучения определенной частоты. 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. Если ядерное спиновое число равно I, то ядро имеет (2I 1) равноотстоящих энергетических уровней; в постоянном магнитном поле с напряженностью Н расстояние между наивысшим и наинизшим из этих уровней равно 2?H, где ? - максимальное измеримое значение магнитного момента ядра.Вращающаяся частица с массой М обладает угловым моментом (или моментом импульса) L, представляющим собой вектор, направленный вдоль оси вращения и имеющий величину . И заряд, и масса участвуют в одном и том же вращении (вращательном движении), поэтому вектор магнитного момента коллинеарен вектору углового момента, с которым он связан соотношением Недостатки классической модели указывают на сложность структуры ядра: полный угловой момент ядра получается в результате сложения в различных комбинациях орбитальных и спиновых движений частиц, входящих в состав ядра. Если в отсутствии магнитного поля вращать вектор с угловой скоростью , то, в соответствии с законом Ньютона для вращательного движения, выражение для будет иметь вид Если перейти к системе координат, вращающейся равномерно с угловой скоростью , то при отсутствии других магнитных полей вектор магнитного момента в этой системе координат будет оставаться неизменным по величине и направлению.При включении магнитного поля каждое ядро приобретает дополнительную энергию , которую называют зеемановской. Помимо оценки порядка величины эта формула позволяет сделать вывод о том, что для ядер должна быть на три порядка меньше величины для электронов. За магнитом располагают пластину, на которой регистрируют пучок атомов натрия. Для термического перехода, помимо взаимодействия системы спинов ядер с решеткой, требуется существование определенного энергетического состояния этой системы (решетки), при котором возможен переход. Процесс спин-решеточной релаксации приводит к уширению резонансной линии, так как переходы, индуцируемые другими степенями свободы молекулы, делают конечным время жизни ядра в данном состоянии.Должно существовать некоторое взаимодействие, которое: - оказывает непосредственное влияние на спины; Существует широкий ряд механизмов релаксации, порождаемых известными типами ядерных взаимодействий в сочетании с каждым из возможных типов движений (степеней свободы). взаимодействием квадрупольных моментов ядер, имеющих спин больше , с градиентами электрических полей, изменяющихся во время молекулярного движения; Ядра со спином, превышающим , обычно имеют распределение ядерного заряда, не имеющее сферической симметрии. Однако, при наличии градиента электрического поля квадрупольные моменты прецессируют, что вызывает сдвиг магнитных уровней ядер.Если ядро, обладающее магнитным моментом, помещено в однородное поле , направленное по оси z, то его энергия (по отношению к энергии при отсутствии поля) равна , где - проекция ядерного магнитного момента на направление поля. Так как расстояние между уровнями энергии, соответствующими каждому из 2I 1 состояний, равно , то ядро со спином I имеет дискретные уровни энергии: Расщепление уровней энергии в магнитном поле можно назвать ядерным зеемановским расщеплением, так как оно аналогично расщеплению электронных уровней в магнитном поле (эффект Зеемана). Кроме того, существует теоретически строго обоснованное правило, согласно которому только ядра со спином, равным или большим единицы, обладают электрическим квадрупольным моментом. следовательно, эксперименты по ЯМР 1Н и 19F не осложняются взаимодействием ядерного квадрупольного момента ядра с электрическим окружением. Линии ЯМР в спектрах жидкостей обычно имеют ширину 0,1-1 Гц (ЯМР высокого разрешения), в то время как те же самые ядра, исследуемые в твердой фазе, будут обусловливать появление линий шириной порядка 104 Гц (отсюда понятие ЯМР широких линий). Если проводить эксперимент, изменяя поле до тех пор, пока не наступит резонанс, то напряженность приложенного поля должна иметь большую величину по сравнению со случаем, когда ядро не экранировано.

План

Введение

1. Общая теория ядерного магнитного резонанса

2. Квантово-механическое рассмотрение условий резонанса

3. Природа магнитной релаксации

4. Типы методов ядерного магнитного резонанса