Ядерно-магнитный резонанс

Сущность, понятие ядерного магнитного резонанса, история его возникновения и основатели. Особенности ларморовской частоты некоторых атомных ядер, специфика химической поляризации. Применение ядерного магнитного резонанса, процесс импульсной спектроскопии.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 28.11.2015
Размер файла 832,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный технический университет

Харьковский политехнический институт

Реферат по экологии

На тему: «Ядерно-магнитный резонанс»

Выполнил:Евлахов Д. Е.

Харьков 2015

План

Введение

Физика ЯМР

Химическая Поляризация Ядер

Применение ЯМР

Введение

Ямдерный магнимтный резонамнс (ЯМР) -- резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте н (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исидором Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен Нобелевской премии 1944 года]. В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселлполучили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твёрдых телах (нобелевская премия 1952 года).

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

Физика ЯМР

В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих изнуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля.

Ядра обладают угловым моментом , связанным с магнитным моментом соотношением

,

где -- постоянная Планка, -- спиновое квантовое число, -- гиромагнитное отношение.

Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением

и ,

где -- магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра

то есть ядро может находиться в состояниях.

Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2 -- 13C, 19F, 31P и т. п.) может находиться только в двух состояниях

,

такое ядро можно представить как магнитный диполь, z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.

Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными. Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней , то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней в магнитном поле.

В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 -- например, для протона, расщепление

и разность энергии спиновых состояний

Химическая Поляризация Ядер

При протекании некоторых химических реакций в магнитном поле в спектрах ЯМР продуктов реакции обнаруживается либо аномально большое поглощение, либо радиоизлучение. Этот факт свидетельствует о неравновесном заселении ядерных зеемановских уровней в молекулах продуктов реакции. Избыточная заселённость нижнего уровня сопровождается аномальным поглощением. Инверсная заселённость (верхний уровень заселён больше нижнего) приводит к радиоизлучению. Данное явление называется химической поляризацией ядер.

Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

ядро

Ларморовская частота в МГц при 0,5 Тесла

Ларморовская частота в МГц при 1 Тесла

Ларморовская частота в МГц при 7,05 Тесла

1H (Водород)

21,29

42,58

300.18

ІD (Дейтерий)

3,27

6,53

46,08

13C (Углерод)

5,36

10,71

75,51

23Na (Натрий)

5,63

11,26

79.40

39K (Калий)

1,00

1,99

Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м

Применение ЯМР

Приборы

Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, впервые осуществленном на практике Парселлом, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на неё, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности. Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек. Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его ещё называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave). ядерный магнитный резонанс импульсный

Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от н0. Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких тысяч ватт.

В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер -- так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.

Спектры ЯМР

Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

· сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;

· интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;

· ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и 13С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу д. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой ф, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчёта констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

Спектр 1H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м д.) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м д.) -- протонов метила этоксильной группы.

ЯМР применительно к полимерам.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Анализ гемореологических изменений (гематокрита, индекса агрегации эритроцитов, белка плазмы крови, гемоглобина), изменений в составе белковых фракций сыворотки крови в присутствии магнитного поля, при воздействии магнитного поля через защитный материал.

    дипломная работа [509,7 K], добавлен 23.03.2012

  • Ядерная политика членов "ядерного клуба", особенности текущей оборонной политики США. Применение ядерного оружия в Великобритании и Франции, ядерная политика Китая. Роль ядерной энергетики в структуре мирового энергетического производства XXI века.

    реферат [45,9 K], добавлен 08.08.2010

  • Первое испытание ядерного оружия в Советском Союзе. История Семипалатинского ядерного полигона как крупнейшей площадки ядерных испытаний СССР. Экологические пробы на месте ядерных испытаний. Биологические и физиологические последствия ядерных взрывов.

    презентация [1,4 M], добавлен 25.11.2015

  • Основные типы ядерного оружия. Конструкция, мощность ядерных боеприпасов. Виды ядерных взрывов. Последовательность событий при ядерном взрыве и поражающие факторы. Применение ядерных взрывов. Экологические последствия применения ядерного оружия.

    реферат [2,4 M], добавлен 17.10.2011

  • Атомные электростанции и экологические проблемы, возникающие при эксплуатации. Оценка риска от АЭС . Население и здоровье в зоне АЭС. Обеспечения радиационной безопасности . Судьба отработанного ядерного топлива. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС.

    реферат [40,3 K], добавлен 18.01.2009

  • Последствия возможного ядерного конфликта. Биологические и медицинские последствия ядерных взрывов: три основных категории. Ядерная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки. Данные мировых комиссий по прогнозу частоты раковых заболеваний в случае ядерной войны.

    контрольная работа [77,3 K], добавлен 30.04.2009

  • Исследование сущности и причин возникновения глобальных проблем человечества. Ядерное оружие и последствия ядерного взрыва. Проблема мирного освоения космоса. Загрязнение Мирового океана. Борьба с организованной преступностью, терроризмом, наркобизнесом.

    презентация [4,7 M], добавлен 23.02.2015

  • Понятие и характеристика деятельности атомных электростанций. Воздействие атомных станций на окружающую среду. Управление экологическими проблемами загрязнения окружающей среды радиоактивными отходами. Оценка природоохранной деятельности на КАЭС и ЛАЭС.

    дипломная работа [1,6 M], добавлен 13.07.2015

  • Характеристика ядерного оружия, опасность его использования в современной войне. Понятие «ядерной зимы» как глобальной экологической катастрофы. Бомбардировка Хиросимы и Нагасаки в 1945 году. Химическое и бактериологическое оружие – угроза экологии.

    реферат [27,3 K], добавлен 14.01.2012

  • Основные направления работы Гринпис. Противодействие загрязнению окружающей среды, охрана природы. Организация кампанией акций против генетически модифицированных продуктов питания. Проведение акции протеста против испытаний ядерного оружия по всему миру.

    презентация [2,5 M], добавлен 11.05.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.