Віктор Лаврус
Явище магнітного резонансу використовується для виявлення і вимірювання електричних і магнітних взаємодій електронів і ядер в макроскопічних кількостях речовини. Це явище обумовлене парамагнітної орієнтацією електронного та ядерного струмів зовнішнім полем і їх ларморовской прецесією щодо направлення зовнішнього поля. Частота ларморовской прецесії пропорційна напруженості магнітного поля, прикладеного в області знаходження прецессируют електрона чи ядра. Коли сусідні частинки дають внесок у локальне магнітне поле, він вимірюється за зсувом частоти прецесії. Додатковий зсув частоти прецесії може відбутися також за рахунок неоднорідних електричних полів, створюваних сусідніми частинками.
Ларморівська частота
Експерименти, в яких простежується відгук атомів на магнітне поле, дають ключову інформацію про атомну механіці. Ларморівська частота атомів та інших частинок у магнітному полі полягає в тому, що середній магнітний момент атомів періодично змінює напрямок. Опис цього зміни є прототипом опису нестаціонарних станів атомних систем. Вивчаючи нестаціонарні стану, ми простежуємо розвиток атомних явищ у часі, тоді як при вивченні стаціонарних станів ми зосереджуємося на властивостях, які залишаються незмінними.
Механічним аналогом ларморовской прецесії служить обертається дзига.
Рис. 1. Прецесія обертового дзиги. J - момент імпульсу, Р - сила тяжіння, R - реакція опори, М - обертаючий момент.
Дія обертаючого моменту, наприклад на атом газу, призводить до гіроскопічного ефекту, при якому інерція атома проявляється як момент імпульсу. Іншими словами, вплив зовнішнього постійного магнітного поля B на атомний контур зі струмом аналогічно впливу сили тяжіння на обертовий дзига і описується аналогічним рівнянням. Обертаючий момент М дзиги прагне опустити його центр мас, повертаючи вісь обертання відносно точки опори. У випадку атома з кільцевим струмом обертаючий момент М, визначається рівністю M = [μ · B], прагне повернути атом навколо його центру мас. В обох випадках вплив обертаючого моменту змінює момент імпульсу J, обумовлений обертанням дзиги або циркуляцією носіїв струму в атомі. Рівняння руху має вигляд:
M = dJ / dt.
Векторна добавка dJ / dt до миттєвого значенням моменту імпульсу J викликає прецесію його напрями щодо осі, вертикальної в разі дзиги і паралельної вектору індукції зовнішнього магнітного поля B у випадку атома. У ході прецесії кут між J і віссю прецесії залишається постійним. Кутова швидкість прецесії зазвичай описується вектором ω, паралельним цієї осі:
dJ / dt = [ω · J].
Таким чином, ми бачимо, що атоми можуть процесувати навколо напрямку прикладеного зовнішнього магнітного поля.
Схема установки
Схема експериментальної установки зображена на рис.2.
Рис. 2. Схематичне зображення установки для експерименту по магнітному резонансу. Резонанс досягається в радіочастотному діапазоні. Котушка (а) і резонатор (б) приєднуються до джерел змінного поля і измерителям втрати потужності.
Досліджуваний зразок поміщається всередину радіочастотної котушки або мікрохвильового резонатора, розташованих між полюсами магніту. Вкрай висока точність настройки установки і її чутливість при визначенні поглинається потужності - головна перевага методу магнітного резонансу. У стандартній експериментальної методикою частота коливань ω поперечного поля підтримується постійною і резонанс досягається за допомогою зміни напруженості поля B0, що призводить до повільного зміни частоти прецесії γB0. На екрані осцилографа при цьому можна спостерігати компоненту M, що коливається або в протифазі з керуючим поперечним полем В1cosωt (тобто поглинається потужність), або у фазі з ним (рис.3).
Рис. 3. Сигнали магнітного резонансу протона в рідкому водні а) Втрата потужності, б) Компонента М, що знаходиться у фазі з поперечним полем.
Методика вимірювання
Магнітний резонанс спостерігається по зміні магнітного моменту M зразка речовини, поміщеного у зовнішнє поле. Вектор M дорівнює сумі середніх моментів усіх атомних систем, складових даний зразок, що звичайно спостерігаються зміни вектора M обумовлені прецесією моментів окремих складових, наприклад ядер атомів водню.
Середній магнітний момент атомної системи, що виникає в результаті парамагнітної орієнтації, зазвичай паралельний локального полю B0, яке ми вважаємо постійним. Отже, якщо момент не відхиляється від напрямку B0 яких-небудь возмущающим полем, то він не прецессирует навколо B0. При відхиленні моменту виникає прецесія з частотою γB0, гіромагнетне ставлення γ передбачається відомим з інших експериментів. Відхилення відбувається при накладенні змінного поперечного поля напруженості B1cosωt, якщо ω збігається з частотою прецесії γB0. Такий збіг частот і забезпечує виникнення магнітного резонансу. Поява прецесії спостерігається найчастіше з поглинання енергії змінного поперечного поля. Експерименти по магнітному резонансу дозволяють знайти розподіл поля в речовині в місцях розташування струмів, для яких спостерігається цей резонанс. Наприклад, у типовому експерименті з виявлення резонансу спінових струмів в органічних речовинах визначаються напруженості магнітного поля в місцях знаходження різних атомів водню. Якщо напруженості Bi, поля в різних точках зразка однакові, резонанс спостерігається на одній частоті, яка дорівнює ω при Bi = B0 і відрізняється від неї на постійну величину в іншому випадку. Зміна величини внутрішнього поля від точки до точки призводить до виникнення резонансу на різних частотах.
Список літератури
Фано У., Фано Л. Фізика атомів і молекул. Пер. з англ. / Под ред. Л.І. Пономарьова. - М.: Наука, 1980.
Фізика мікросвіту. Маленька енциклопедія. [Гол. ред. Д.В. Ширков]. - М.: «Рад. енциклопедія », 1980.