Пара- и магнитные резонансы на пальцах и их применение

Доброго времени суток.
В этой статье я хочу рассказать о замечательном физическом явлении как магнитный момент относительно центра масс. Откуда он берется, как его можно представить и почему каждый уважающий себя ХимФак должен им пользоваться.

Началось все с того, что преподаватель по электричеству и магнетизму сказал нам, что студент, «поймавший» ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) подручными средствами получит пятерку автоматом. Не автомата ради, но знаний только каждый второй мой одногруппник решил этим делом заняться и общими усилиями мы собрали немало информации и самой интересной я решил поделиться.

Для начала вспомним о строении ядра атома: оно состоит из нуклонов — протонов и, скрепляющих все вместе, нейтронов. Кстати, если взглянуть на периодическую таблицу Менделеева можно заметить, что количество нейтронов растет быстрее, чем количество протонов (для сравнения у гелия 2 протона и 2 нейтрона, в то время как у урана 92 и 146 соответственно), т.к. нейтроны отталкиваются (электромагнитное взаимодействие) и нужно все больше «цемента», чтоб стабилизировать ядро (сильное взаимодействие), а очень тяжелые элементы распадаются сами. Вот в форме ядра и все дело. Ядро далеко не всегда сферически симметрично, а о молекулах вообще нечего говорить.

Теперь вспомним что такое диполь. Диполь — электрически нейтральная, но протяженная (не точка) система. Простейшим примером служит система двух разноименных, но равных по абсолютной величине заряда, находящиеся на некотором расстоянии. Кстати, сам нейтрон получается при падении электрона на ядро и «слиянии» с протоном. Его дипольный момент ищут, но, увы, пока безуспешно. Но диполем не будет (не имеет дипольного момента) сферически симметрично расставленные заряды. С магнитным диполем (древнее название систем с магнитным моментом) та же история. Формулы, описывающие их имеют один вид, только в отличие от диполя (электрического) он создает подобное магнитное поле. Еще стоит отметить, что магнитный момент ядра складывается из спинов нуклонов этого ядра.

Спин представляет собой момент чего угодно относительно центра масс. Если говорить о «элементарных частицах», то в классической физике спин, допустим электрона, представлялся, как вращение этого электрона вокруг оси, проходящей через центр масс. Но при ближайшем рассмотрении видно, что это не так потому, что получается, что «экватор» электрона движется быстрее скорости света.

Магнитный момент представляют в виде вектора и тут получается интересная картина: оказывается, что если под некоторым углом к магнитному моменту будут проходить линии постоянного магнитного поля, то сам этот вектор начнет вращаться вокруг оси, параллельной магнитным линиям.

А если добавить высокочастотное переменное поле, но достаточно слабое относительно постоянного, то для тройки величин: [величина постоянного магнитного поля (B), циклическая частота переменного магнитного поля (w), некая постоянная (Г)] устанавливается соответствие, при котором возникает резонанс.

w=Г*B

По-сути начинается очень интенсивное поглощение энергии электромагнитного поля, магнитный момент, не переставая вращаться (с той-же частотой), становится перпендикулярно «B», а резонансом это называют за схожесть в формулах.

Вся прелесть в этой «некой постоянной» в том, что она разная для каждого вещества и каждого соединения, т.о. имея один генератор СВЧ (они обычно с постоянной частотой или изменяемом в маленьком диапазоне, другие сделать тяжело и не нужно), постоянное магнитное поле (о его создании позже) с возможностью изменения его величины, волновод из картона и фольги и детектора (диод + амперметр) можно определить состав почти любой смеси. Почти любой т.к. не все атомы и молекулы имеют магнитный момент, но почти все. Именно поэтому каждый ХимФак не ХимФак, если не имеет установки для ЭПР и ЯМР. Принципиальных различий между ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) и ЯМР (ядерный магнитный резонанс) нет, первый использует магнитный момент, создаваемый электронами, а другой — ядром.

Схема простейшей установки для ЭПР/ЯМР (прошу прощения за Paint):

При резонансном поглощении энергии поля образцом амперметр/гальванометр покажет нуль.

Практические советы:
Постоянное магнитное поле лучше создавать кольцами Гельмгольца, т.к. формулы для расчета магнитного поля просты, а самым сложным в их изготовлении является поиск толстого провода. Фольгу наматывать надо зеркальной стороной внутрь (нам же надо, чтоб она отражала). Высота и длина волновода квадратного сечения должны быть кратны половине длины волны.

Большое спасибо. Буду рад рассказать о других явлениях в физике, пишите в комментариях.

Автор: rinaskela

Источник ^[1]