Магнитный резонанс

Различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). В первом случае переходы происходят между расщепленными магнитным полем электронными уровнями. Во втором случае используются магнитные спины нуклонов атомного ядра.

Оба эти явления легли в основу специальных методик по изучению веществ.

Физические принципы

Вырожденные квантовые уровни, которые отличаются магнитным квантовым числом или спином расщепляются в магнитном поле по принципу эффекта Зеемана. Величина расщепления пропорциональна магнитной индукции поля. Между расщепленными уровнями возможны переходы, которые приводят к резонансному поглощению электромагнитных волн. Поскольку расщепления невелики, то резонансные частоты принадлежат к диапазону радиоволн.
Абсорбцию энергии переменного электромагнитного поля с характеристической частотой $ν$, соответствующей условию резонанса, можно выразить следующим образом:

$h\nu =g{{\mu }_{B}}H$,

где $g$ – $g$-фактор,

$μB$ – магнетон Бора или магнетон ядра,

$H$ – напряженность магнитного поля.

Методика магнитного резонанса

Резонансное поглощения радиоволн можно изучать, изменяя их частоту. Однако практичнее изменять величину магнитного поля. В эксперименте магнитное поле состоит из двух компонент – постоянной и переменной, а поглощение волн регистрируют на определенной зафиксированной частоте.

При определенных значениях суммарного магнитного поля, величина расщепления уровней $ΔE$ равна частоте радиоволны, умноженной на постоянную Планка: $hν$. Именно тогда фиксируется резонанс.

Для использования метода необходимо использовать вещества с отличным от нуля магнитным квантовым числом, или спином. Электроны в большинстве химических веществ спарены, поэтому для использования парамагнитного резонанса нужны свободные радикалы, которые можно прицепить как метки к другим молекулам. Для применения ядерного магнитного резонанса нужны ядра с отличным от нуля спином ядра. Таковыми являются ядра атомов водорода, состоящие из одного протона, изотопы углерода $13 ~C$, изотопы фтора $19~ F$, имеющие один свободный не спаренный электрон и другие подобные изотопы.

Электронный парамагнитный резонанс

В случае ЭПР поглощение происходит за счет переходов электронов между энергетическими уровнями, возникающих за счет взаимодействия электронных спинов с внешним магнитным полем (эффект Зеемана).

Явление ЭПР возникает если в веществе имеются не спаренные электроны, носителями которых могут быть ионы переходных элементов или радикалы химических соединений. ЭПР можно также наблюдать и тогда, когда атомы или молекулы вещества имеют только спаренные электроны. В этом случае, однако, они должны находиться в состоянии с высоким спином, например, в триплетном состоянии.

Такие эксперименты являются более сложными ввиду того, что триплетные состояния достаточно быстро затухают.

ЭПР метод имеет ряд особенностей:

• Типичные ЭПР частоты лежат в микроволновом диапазоне есть от 1 до 1000 ГГц.
• На практике при ЭПР записывают и анализируют первую производную спектра.
• ЭПР чрезвычайно чувствительное явление (и метод), поскольку естественный фон свободных радикалов крайне мал.
• Для ЭПР сила магнитного поля требуется в 660 раз ниже, чем для ЯМР той же рабочей частоты, поскольку масса электрона меньше, чем протона
• Сигнал ЭПР от органических радикалов обычно расщеплен за счет взаимодействия спина неспаренного электрона и соседних ядер (протонов, $14N$, и других)
• В отличие от ЯМР в молекуле обычно наблюдают только один ЭПР-сигнал (от монорадикала).

На Студворк вы можете заказать статью по физике онлайн у профильных экспертов!

Тест по теме «Магнитный резонанс»