Определения ф Теория ядерного магнитного резонанса ф Влияние молекулярного движения

на характеристики ЯМР

8.1.1. Определения

Магнитный резонанс связан с резонансным поглощением энер­гии переменного магнитного поля ядрами, атомами или молекула­ми веществ, обладающих собственными магнитными моментами.

агнитный моменту атомов или молекул может быть обусловлен рутовыми токами в электронной оболочке и неспаренным элек - ронныхМ спином. Вещества, которые обладают магнитными момен - ами такого рода, называются парамагнитными. В молекулах раз - ичных веществ, в том числе в большинстве полимеров, электрон - ый парамагнитный момент скомпенсирован. Такие вещества азываются диамагнитными. Однако атомные ядра, например водо - ода и фтора, обладают собственными магнитными моментами, свя - анными с их спинами. Поэтому в диамагнитных веществах погло - ение энергии электромагнитного поля может осуществиться толь«* %о магнитными моментами ядер. Магнитные моменты атомных элек­тронов на три порядка больше, чем ядерные магнитные моменты, поэтому резонансные частоты при магнитном резонансе на электро­нах значительно выше, чем резонансные частоты на ядрах, чта ^определяет для этих методов различие радиотехнических схем.

( Ядра некоторых химических элементов обладают магнитными „моментами. Согласно квантовой механике, число возможных значе­ний проекции магнитного момента на направление постоянного магнитного поля определяется спином ядра, т. е. его собственным моментом импульса. Число таких проекций равно 2/+1, где / —- значение спина ядра, выраженное в единицах h = h/( 2я) = *=1,0544-10~34 Дж-с. Ядро с магнитным моментом ц = у hi в магнит­ном поле напряженностью Я0 обладает энергией ЦгЯ0, где pz — про­екция магнитного момента на ось 2, вдоль которой направлено по­ле. Таким образом, ядро, обладающее магнитным моментом, во внешнем постоянном магнитном поле Я0 имеет 2/+1 дискретных энергетических уровней:

— 1Я/0,------ ~—pH о? • • •, ~—pH о» рНо-

Расстояние между этими уровнями равно хН0/1. Величина

У = P/(Ih) (8.1)

называется гиромагнитным отношением: оно характеризует магнит­ные свойства данного ядра. Например, спин протона равен 1/2, а его гиромагнитное отношение у = 2,6753-108 с-1 Тл-1.

Согласно основным принципам квантовой механики, ядра, имею­щие магнитные моменты, в постоянном поле могут поглощать или отдавать энергию квантами:

hy = pH л// = yhH0, (8.2)

где v — частота переменного электромагнитного поля, которое от­дает или поглощает энергию. Поглощая энергию, ядра переходят на

высшие энергетические уровни, а отдавая энергию — опускаются па нижние. Классическое рассмотрение, а также квантовомеханичес - ,кие расчеты показывают, что такие переходы между энергетически­ми уровнями будут осуществляться, если наложить слабое перемен­ное магнитное поле Яь перпендикулярное постоянному полю Я0,

когда частота этого поля будет удовлетворять условию резонанса

(8.2) , которому можно придать форму

(8.3)

Частота прецессии свободного электрона в поле Я0 всегда оди­накова, но из-за того, что методы радиоспектроскопии очень чув - ствительнь^к особенностям полей окружающих электронов (локаль­ные поля создаются атомными ядрами, находящимися вблизи элек­трона), имеет место заметное ее изменение (химический сдвиг).