3.5.3. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Кроме массы и заряда, ядро обладает третьей характеристикой – моментом количества движения, который обусловлен его вращением вокруг оси – спином. Поскольку ядро заряжено, его вращение вокруг собственной оси приводит к круговому движению заряда ядра, что фор­мально аналогично круговому электрическому току (рис. 3.8).

Круговой ток создает магнитное поле, так что вращающееся ядро подобно крошечному магниту, ось которого совпадает с осью спи­на, поэтому ядро может характеризоваться магнитным дипольным моментом. Ядра, имеющие четный заряд (порядковый номер) и четное массовое число, не об­ладают магнитным моментом. У ядер, имеющих нечетный заряд, но четное массовое чис­ло, магнитный момент I = 1 (например, ядра азота). У ядер, имеющих нечетный заряд и нечетное массовое число, магнитный момент I = 1/2 (ядра водорода, фтора, фосфора). Ядра изотопа углерода ¹³С₆ и изотопа кремния ²⁹Si₁₄ также имеют нечетное массовое число и четный заряд.

Рис. 3.8. Круговое движение Рис. 3.9. Движение ядра

заряда ядра в магнитном поле

Рассмотрим ядро, магнитный диполь которого ориентирован под некоторым углом  к направлению силовых линий постоянного магнитного поля Н₀ (рис. 3.9). Это поле обусловливает по­явление силы, стремящейся расположить ядро-магнит вдоль поля. Но, поскольку ядро вращается и обладает моментом количества движения, оно сопротивляется этому воздействию. В результате этого наблюдается прецессия магнита-ядра: кроме вращения вокруг своей оси, ядро вра­щается вокруг направления постоянного магнитного поля, подоб­но тому, как прецессирует волчок, если он наклонен по отношению к силовым линиям гравитационного поля Земли. Угловая скорость этой прецессии  (в рад/с) не зависит от угла , но зависит от напряженности постоянного магнитного поля H₀:

 = Н₀,

где  – гиромагнитное отношение, в которое входит ядерный магнитный момент.

Рассмотрим влияние небольшого магнитного поля напряженностью Н₁, пер­пендикулярного к постоянному магнитному полю Н₀, на движение ядра в магнитном поле. Последнее стремится отклонить диполь (ось спина) в плоскость XY, однако действие поля незначительно. Если же поле Н₁ начнет вращаться вокруг направления линий магнитного поля Н₀ (т. е. если оно будет переменным), то, когда частота этого поля достигнет частоты прецессии ядра, произойдет поглощение ядром кванта энергии. Это поглощение называется резонансным.

Тот же самый результат может быть получен, если частота переменного поля остается постоянной, а изменяется напряженность постоянного магнитного поля. При изменении напряженности постоянного магнитного поля изменяется частота прецессии ядра, и, когда она достигает частоты переменного магнитного поля, происходит резонанс. Задача спектроскопии ядерного магнитного резонанса состоит в том, чтобы определить напряженность постоянного магнитного поля, при которой наступает резо­нанс ядер исследуемого образца в переменном поле определенной частоты . В этом случае частота  равна частоте ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В табл. 3.2 приведены значения ЯМР для ядер различных атомов. Из таблицы следует, что ядра кислорода и углерода, спин которых равен нулю, не являют­ся магнитными, поэтому они не спо­собны к ядерному магнитному резонансу.

Таблица 3.2