자기 공명 물리학

특정 자기장의 적용에 응답하여 전자 또는 원자핵에 의한 전자기 방사선의 자기 공명, 흡수 또는 방출. 실험실에서 자기 공명 원리를 적용하여 물질의 원자 및 핵 특성을 분석합니다.

전자 스핀 공명 (ESR)은 1944 년 소련 물리학 자 YK Zavoysky에 의해 철 원소 원소의 염에 대한 실험에서 처음 관찰되었습니다. ESR은 특정 결정에 색상을 부여하는 구조적 결함, 액체 및 고체 시료에서 자유 라디칼의 형성 및 파괴, 금속에서 자유 또는 전도 전자의 거동, 준 안정 상태의 특성과 같은 현상에 대한 연구를 가능하게했습니다. 분자 결정에서 방사선에 의한 에너지 전달이 발생하지 않기 때문에 오래 지속되는 여기 상태.

양성자의 핵 자기 공명 (NMR)은 1946 년 미국에서 Felix Bloch, William W. Hansen 및 Martin E. Packard에 의해 독립적으로 관찰되었으며 Edward M. Purcell, Robert V. Pound 및 Henry C. Torrey에 의해 독립적으로 관찰되었습니다. 과학자들은 곧 핵 모멘트가 0보다 큰 (약 100 종) 실질적으로 모든 안정적인 핵에서 NMR을 관찰했습니다. NMR을 사용한 이후의 발견에는 전기 사중 극자 효과가 포함되었다. 금속에서 NMR 주파수의 중요한 변화; 화학 구조의 변화와 하나의 핵 스핀이 다른 핵 스핀에 미치는 영향으로 인한 액체의 에너지 수준 분할.

자체 축을 중심으로 회전하거나 일부 외부 지점을 중심으로 궤도를 이동하는 입자는 자이로 스코프와 같은 역할을합니다. 이 저항의 측정 값은 입자의 질량, 궤도의 크기 또는 궤도 및 각속도 (단위 시간당 회전 수)에 따라 달라지는 기계적 각 운동량입니다. 각도 운동량은 회전축을 따라 향하는 벡터로 표현됩니다. 이러한 운동에서의 전하는 μ 로 표시된 자기 벡터에 의해 표현되는 강도 및 방향으로 자기장을 생성한다. (입자의 질량 대신) 전하의 크기에 비례하는이 벡터는 전하의 회전축이 외부 자기장의 방향으로 정렬되는 경향을 측정합니다. 질량과 전하를 모두 갖는 입자의 움직임은 이들 벡터 모두에 의해 특징 지워지며, 이는 전하의 부호에 따라 동일 선상에 있지만 반대 방향으로 향할 수 있습니다.

회전하지 않는 막대 자석을 자기장에 배치하면 북극이 자기장의 남극을 찾고 외부 자기장과 정렬 된 자체 자기장을 유지하게됩니다. 방향을 바꾸려면 일이 필요하다. 이는 시스템이 잠재적 에너지를 저장할 수 있음을 의미합니다. 그러므로, 자석과 관련된 에너지는 자기 모멘트, 외부 자기장의 강도, 및 자석 모멘트의 방향과 외부 필드의 방향 사이의 각도에 의존한다.

도 1에서, 회전 하전 입자 의 자기 벡터 (μ)는 회전축을 따라 놓인 것으로 도시되어있다. 주변 자계 (벡터 H로 상징 됨)는 μ 와 H 를 정렬 시키는 경향이있는 토크를 가하지 만,이 토크는 또한 각 운동량 벡터와 상호 작용합니다. 이러한 상호 작용의 효과는 스핀 축 (및 자기 모멘트 벡터)이 소위 라 모르 세차를 겪도록, 즉 자기장의 방향에 대한 원뿔을 설명하는 것이다. 고전적인 전기 역학에 따르면, Larmor 세차 의 주파수 (ω _L) (벡터 H 에 대한 벡터 μ 의 초당 회전 수)는 방향 각도 (θ)와 무관해야합니다. 그러나 양자 역학에 따르면, 단일 입자의 배향 각도는 입자의 각 운동량이 기본 운동량의 기본 단위의 정수배 여야하므로 특정 불연속 값만 가정 할 수 있습니다. 이러한 이유로, 자기장에서의 회전 하전 입자는 제한된 세트의 개별 자기 에너지 상태 중 하나를 차지한다.

자기 공명 장치에서 약한 진동 필드 (H는 ') 강한 상수 필드 (에 중첩 H 각속도 (그림 1 및 벡터 회전에 도시 된 바와 같이) ω 방향에 대해 평면 수직의) 강한 분야. 약하게 중첩 된 장의 회전 속도 (ω)가 선행 입자 의 Larmor 주파수 (ω _L)와 다른 경우, 2 개의 회전 장은 위상 이 다릅니다. 입자의 축은 완전히 회전하는 동안 중첩 된 회전 장에 의해 연속적으로 끌어 당겨지고 반발되며 약간만 흔들립니다. 그러나 동기화되면 축에 일정한 힘이 작용합니다. 공명이라고 불리는이 상황에서 입자의 방향 각 (자기 에너지 상태)은 갑자기 변합니다. 시스템을 더 높은 상태로 올리면 중첩 된 필드에서 에너지가 추출되고 그 반대도 마찬가지입니다. 공명을 생성하기 위해 진동 장을 사용하는 것을 때때로“공명 운전”이라고합니다.

자기 공명에 대한 모든 실험은 공명을 감지하는 것과 관련이 있습니다. 즉, 전이가 실제로 발생했는지 확인합니다. 자기 공명 (MR)은 전이에서 방출되거나 흡수 된 에너지가 측정 된 것과 정확히 일치하는 전자기 감지를 사용합니다. MR 분광계 (그림 2)에서 중첩 된 필드에서 추출 된 에너지의 양은 연속적으로 측정되고 필드의 주파수가 천천히 변하는 동안 스트립 차트에 기록됩니다. 결과 레코드 또는 스펙트럼은 일반적으로 직선으로 샘플이 에너지를 흡수하지 않음을 나타내며 공명 주파수에서 피크에 의해 손상되었습니다. 일반적인 실험 조건에서이 피크는 너무 좁아서 (공명이 매우 급격하게 조정 되었기 때문에) 공진하지 않는 주파수 범위에서 얻은 평평한 트레이스에 수직 인 선으로 나타납니다. 이러한 소위 자기 공명 스펙트럼 라인은 광 스펙트럼에서 관찰되는 흡수 및 방출 라인과 거의 유사하다. 벌크 물질에서 MR의 해석은 스핀과 서로의 그리고 샘플의 다른 자유 도와의 관계에 의해 상당히 복잡합니다. 그러나 이러한 합병증은 자기 공명에 대한 단점이 아니라 자산으로 판명됩니다. 왜냐하면 이러한 상호 작용이 존재하기 때문에 MR이 벌크 물질 연구를위한 탁월한 도구이기 때문입니다.

원자의 많은 종류의 짝 전자의 모든; 즉, 스핀은 반대로 향하고 따라서 중화되며, 순 스핀 각 운동량 또는 자기 모멘트는 없다. 다른 종의 원자에는 짝을 이루지 않는 하나 이상의 전자가 존재하므로, 이들 원자 중 어느 것도 다양한 양자의 다중 에너지를 획득하거나 잃을 수있다. 많은 핵 종에서 동일한 현상이 발생하여 핵은 다른 자기 에너지 상태에 놓일 수 있습니다.

MR 분광계에 사용되는 몇 킬로그램 (가우스는 자기 강도의 단위; 지구 자기장의 수평 강도는 대략 0.2 가우스) 정도의 자기장의 경우, NMR 주파수는 무선 주파수 또는 방송 범위에 속합니다. ESR 주파수는 마이크로파 또는 레이더 범위에서 발생합니다. 예를 들어, 10 킬로그램의 필드에서 양성자 NMR 주파수는 42.58 메가 헤르츠이고, 같은 필드에서 프리 스핀의 ESR 주파수는 28,000 메가 헤르츠입니다. 자기 공명에 의해 검출 될 수있는 스핀의 수는 적용된 장, 온도, 샘플의 성질 및 NMR의 경우 핵종에 따라 크게 변한다; 최상의 조건에서 NMR의 경우 10 ¹⁸ 스핀, ESR의 경우 10 ¹⁰ 스핀 만큼 낮을 수 있습니다.