1. lehekülg

Elektromagnetresonaatorid koosnevad peamiselt dielektrilisest piirkonnast, mis on piiratud juhtivate seintega.

Elektromagnetilised resonaatorid võivad olla väga erineva kujuga. Eriti oluline klass on resonaatorid, mis on suletud otstega silindrilised lainejuhid. Eeldame, et otspinnad on silindri teljega risti asetsevad tasapinnad.

Mis eesmärgil kaetakse elektromagnetresonaatorid sageli seest hõbedaga?

IN üldine juhtum elektromagnetresonaatorite teoorias otsitakse nõutavatel piirtingimustel lahendusi Maxwelli võrranditele või teist järku tuletisvõrranditele.

Selgitage, miks saab vasest elektromagnetresonaatori häälestamise teravust oluliselt suurendada, kastes seda vedelasse õhku.

MULTIMODE, mis on ette nähtud komplekssete teljesümmeetriliste ja pikisuunas homogeensete elektromagnetresonaatorite arvuliseks simuleerimiseks geomeetriline kuju. Pakendis kasutatavad bi-kvadraatilised isoparameetrilised lõplikud elemendid võimaldavad piisavalt lähendada piiride kõveraid lõike ja vähese arvu võrgusõlmedega saada sagedusväärtusi harjutamiseks vajaliku täpsusega. Alamruumi iteratsiooni meetod võimaldab üheaegselt leida paar esimest omasagedust ja vastavaid funktsioone, ilma et oleks vaja a priori informatsiooni spektri jaotuse kohta. Meetod võimaldab arvutada nii lihtsaid kui ka mitut sagedust. Võrdlus identsete probleemide lahendamisel teiste meetoditega sama klassi arvutis näitab, et MULTIMODE nõuab 1–2 suurusjärku vähem protsessori aega, saavutades sama täpsuse. See võimaldab tõhusalt arvutada keerulisi resonaatoreid ja optimeerida nende geomeetriat. Pakett on varustatud oma graafikaga tarkvara, mis võimaldab saada graafiline esitus tulemused. Praegu on MULTIMODE paketti rakendatud JINR-is, IHEP-s, INP AS-is, IM BANis ja seda kasutatakse uute kiirendite projekteerimiseks.

Sfääriline õõnsus raadiusega a juhtivas keskkonnas võib toimida elektromagnetilise resonaatorina.

Üks küsimus viiakse üle aatomi või üldiselt elektromagnetresonaatori kiirguse emissiooni mehhanismile, mis on meile võõras.

Üks küsimus viiakse üle aatomi või üldiselt elektromagnetresonaatori kiirguse emissiooni mehhanismile, mis on meile võõras. Resonaatorite vahelise energiajaotuse probleemi lahendamisel nõustus Planck, et antud resonaator, millel on teatud arv võnkumisi v, suudab vastu võtta ainult terveid hv energiaportsjoneid. Kaasajal näitas Planck, et võib isegi piirduda eeldusega, et ainult kiirgus toimub portsjonitena / iv, samas kui neeldumine toimub pidevalt.

Meetodi teooria põhineb elektromagnetresonaatori üldistatud tegevusteoreemil: kadudeta elektromagnetresonaatoris on koguenergia invariantne mis tahes adiabaatilise muutuse suhtes, mille puhul võnkeperiood jääb muutumatuks. Adiabaatiline muutus muutust peetakse võnkeperioodiga võrreldes väga aeglaselt toimuvaks.

Telemeetrilistes süsteemides traatliinid Nõukogude Liidu sidepidamises kasutatakse kõige laialdasemalt elektromagnetresonaatoritega kompensatsioonimuundureid, mida juhitakse (sageduse järgi) alalisvooluga. Selle suuna NSVL-i telemeetrisüsteemide sagedusmõõtemuundurite rakendamiseks pakkus välja ja töötas välja prof.

Määramiseks on veel üks meetod lainefunktsioonid, mis põhineb järgmisel nähtusel. Kui elektromagnetresonaatorisse sisestatakse väike metallitera (kuul), suureneb resonantssagedus ja resonantsi nihe on võrdeline elektrivälja tugevuse ruuduga tera asukohas.

Mikrolaine magnetväli; M0 on magnetiseerimise konstantne komponent; Nt ja Nz - risti- ja pikisuunalised demagnetiseerivad tegurid; Kuid ka R0 on sisemised ja välised magnetiseerivad väljad; DN ja AY on vastavalt ferriitkeskkonna ja proovi staatilise FMR kõvera poollaiused. Võrrand (1) erineb võrrandist, mis kirjeldab elektromagnetresonaatori võnkumisi selle parema külje kujul. Vektori M ühes või teises põikisuunas komponendi võrrandi parem pool sisaldab lisaks mikrolainevälja komponendile selles suunas välja põikikomponentide tuletisi.

Kuigi me kirjeldasime resonantsõõnsus välimuselt erineb see suuresti tavalisest mähist ja kondensaatorist koosnevast resonantsahelast, kuid mõlemad resonantssüsteemid on omavahel tihedalt seotud. Mõlemad on sama perekonna liikmed; Need on vaid kaks äärmuslikku näidet elektromagnetresonaatoritest ja nende vahele saab paigutada palju vaheastmeid. Alustame, näiteks, ühendades kondensaatori paralleelselt induktiivsusega ja moodustades resonantsahela (joonis 1).

Tuumamagnetresonants (NMR) on kõige ohutum diagnostiline meetod

Aitäh

Üldine informatsioon

Fenomen tuumamagnetresonants (NMR) avastas 1938. aastal rabi Isaac. Nähtus põhineb magnetiliste omaduste olemasolul aatomituumades. Alles 2003. aastal leiutati meetod selle nähtuse kasutamiseks meditsiinis diagnostilistel eesmärkidel. Leiutise eest said selle autorid Nobeli preemia. Spekroskoopias uuritav keha ( see tähendab patsiendi keha) asetatakse elektromagnetvälja ja kiiritatakse raadiolainetega. See on täiesti ohutu meetod ( erinevalt näiteks kompuutertomograafiast), millel on väga kõrge aste eraldusvõime ja tundlikkus.

Rakendus majanduses ja teaduses

1. Keemias ja füüsikas reaktsioonis osalevate ainete tuvastamiseks, samuti lõpptulemused reaktsioonid,
2. Farmakoloogias ravimite tootmiseks
3. IN põllumajandus määramiseks keemiline koostis teravili ja külvivalmidus ( väga kasulik uute liikide aretamisel),
4. Meditsiinis - diagnostikaks. Väga informatiivne meetod lülisamba, eriti lülivaheketaste haiguste diagnoosimiseks. Võimaldab tuvastada isegi väikseimad ketta terviklikkuse rikkumised. paljastab vähkkasvajad peal varajased staadiumid haridus.

Meetodi olemus

Tuumamagnetresonantsi meetod põhineb asjaolul, et hetkel, mil keha on spetsiaalselt häälestatud väga tugevas magnetväljas ( 10 000 korda tugevam kui meie planeedi magnetväli), moodustavad kõigis keharakkudes esinevad veemolekulid magnetvälja suunaga paralleelsed ahelad.

Kui muudate järsult välja suunda, vabastab veemolekul elektriosakese. Just need laengud tuvastavad seadme andurid ja neid analüüsib arvuti. Lähtudes vee kontsentratsiooni intensiivsusest rakkudes, loob arvuti uuritava organi või kehaosa mudeli.

Väljapääsu juures on arstil monokroomne pilt, millel on väga detailselt näha elundi õhukesed lõigud. Vastavalt teabe sisu astmele seda meetoditületab oluliselt kompuutertomograafiat. Mõnikord antakse uuritava organi kohta isegi rohkem üksikasju, kui on diagnoosimiseks vaja.

Magnetresonantsspektroskoopia tüübid

• bioloogilised vedelikud,
• Siseorganid.

Tehnika võimaldab üksikasjalikult uurida kõiki inimkeha kudesid, sealhulgas vett. Mida rohkem vedelikku kudedes on, seda heledamad ja heledamad need pildil on. Luud, milles on vähe vett, on kujutatud tumedana. Seetõttu on kompuutertomograafia luuhaiguste diagnoosimisel informatiivsem.

Mvõimaldab jälgida vere liikumist läbi maksa ja aju kudede.

Tänapäeval kasutatakse seda nime meditsiinis laiemalt MRI (Magnetresonantstomograafia ), kuna tuumareaktsiooni mainimine pealkirjas hirmutab patsiente.

Näidustused

1. Ajuhaigused
2. ajuosade funktsioonide uuringud,
3. Liigeste haigused,
4. Seljaaju haigused,
5. Haigused siseorganid kõhuõõs,
6. Kuseteede ja reproduktiivsüsteemi haigused,
7. Mediastiinumi ja südamehaigused,
8. Vaskulaarsed haigused.

Vastunäidustused

Absoluutsed vastunäidustused:
1. Südamestimulaator,
2. Elektroonilised või ferromagnetilised keskkõrvaproteesid,
3. Ferromagnetilised Ilizarovi aparaadid,
4. Suured metallist sisemised proteesid,
5. Ajuveresoonte hemostaatilised klambrid.

Suhtelised vastunäidustused:
1. Närvisüsteemi stimulandid,
2. insuliinipumbad,
3. muud tüüpi sisekõrva proteesid,
4. Proteetilised südameklapid,
5. Hemostaatilised klambrid teistele organitele,
6. Rasedus ( on vaja saada günekoloogi arvamus),
7. Südamepuudulikkus dekompensatsiooni staadiumis,
8. Klaustrofoobia ( hirm piiratud ruum ).

Ettevalmistus uuringuks

Spetsiaalset ettevalmistust on vaja ainult nendel patsientidel, kes läbivad siseorganite uurimist ( urogenitaal- ja seedetrakt): Viis tundi enne protseduuri ei tohi süüa.
Kui uuritakse pead, soovitatakse õiglasel sugupoolel meik eemaldada, kuna kosmeetikatoodetes sisalduvad ained ( näiteks lauvärvides), võib tulemusi mõjutada. Kõik metallist ehted tuleb eemaldada.
Mõnikord kontrollivad meditsiinitöötajad patsienti kaasaskantava metallidetektori abil.

Kuidas uuringut läbi viiakse?

Enne uuringu alustamist täidab iga patsient küsimustiku, mis aitab tuvastada vastunäidustusi.

Seade on lai toru, millesse patsient asetatakse horisontaalasendisse. Patsient peab jääma täiesti paigale, muidu pole pilt piisavalt selge. Toru sisemus ei ole pime ja seal on värske ventilatsioon, mistõttu on protseduuri tingimused üsna mugavad. Mõned paigaldused tekitavad märgatavat suminat, seejärel kannab uuritav müra neelavaid kõrvaklappe.

Uuringu kestus võib olla 15 minutit kuni 60 minutit.
Mõned meditsiinikeskused lubavad sugulasel või saatjal viibida patsiendiga ruumis, kus uuring läbi viiakse ( kui sellel pole vastunäidustusi).

Mõnes meditsiinikeskuses manustab anestesioloog rahusteid. Sel juhul on protseduuri palju kergem taluda, eriti klaustrofoobiat põdevatel patsientidel, väikelastel või patsientidel, kellel on mingil põhjusel raske paigal püsida. Patsient langeb terapeutilise une seisundisse ning väljub sellest puhanuna ja kosununa. Kasutatavad ravimid erituvad kiiresti organismist ja on patsiendile ohutud.

Uuringu tulemus on valmis 30 minuti jooksul pärast protseduuri lõppu. Tulemus väljastatakse DVD, arsti aruande ja fotode kujul.

Kontrastaine kasutamine NMR-is

Enamasti toimub protseduur ilma kontrasti kasutamata. Mõnel juhul on aga vajalik ( veresoonte uurimiseks). Sel juhul infundeeritakse kontrastaine intravenoosselt kateetri abil. Protseduur sarnaneb mis tahes intravenoosse süstimisega. Seda tüüpi uuringute jaoks kasutatakse spetsiaalseid aineid - paramagnetid. Need on need nõrgad magnetilised ained, mille osakesed, olles välises magnetväljas, on magnetiseeritud paralleelselt jõujoontega.

Kontrastainete kasutamise vastunäidustused:

• Rasedus,
• Varem tuvastatud kontrastaine komponentide individuaalne talumatus.

Vaskulaarne uuring (magnetresonantsangiograafia)

Selle meetodi abil saate jälgida nii vereringevõrgu seisundit kui ka vere liikumist läbi veresoonte.
Hoolimata asjaolust, et meetod võimaldab veresooni "näha" ilma kontrastaineta, on selle kasutamisel pilt selgem.
Spetsiaalsed 4-D-paigaldised võimaldavad jälgida vere liikumist peaaegu reaalajas.

Näidustused:

• Kaasasündinud südamerikked,
• Aneurüsm, dissektsioon,
• veresoonte stenoos,

Ajuuuring

See on ajutest, mis ei kasuta radioaktiivseid kiiri. Meetod võimaldab näha kolju luud, kuid saate neid üksikasjalikumalt uurida pehmed kangad. Suurepärane diagnostiline meetod neurokirurgias, aga ka neuroloogias. Võimaldab tuvastada vanade verevalumite ja põrutuste, insultide, aga ka kasvajate tagajärgi.
Tavaliselt on see ette nähtud teadmata etioloogiaga migreenilaadsete seisundite, teadvuse häirete, neoplasmide, hematoomide ja koordinatsiooni puudumise korral.

Aju MRI uurib:

• kaela peamised veresooned,
• aju varustavad veresooned
• ajukude,
• silmakoopa orbiidid,
• aju sügavamad osad ( väikeaju, käbinääre, ajuripats, piklik ja vahepealsed sektsioonid).

Funktsionaalne NMR

See diagnoos põhineb asjaolul, et kui mis tahes ajuosa vastutab spetsiifiline funktsioon, vereringe selles piirkonnas suureneb.
Uuritavale antakse erinevaid ülesandeid ning nende täitmise käigus fikseeritakse vereringe erinevates ajuosades. Katsete käigus saadud andmeid võrreldakse puhkeperioodil saadud tomogrammiga.

Lülisamba uurimine

See meetod sobib suurepäraselt närvilõpmete, lihaste, luuüdi ja sidemete ning lülidevaheliste ketaste uurimiseks. Aga lülisambamurdude või luustruktuuride uurimise vajaduse korral jääb see kompuutertomograafiale mõnevõrra alla.

Saate uurida kogu selgroogu või ainult probleemset piirkonda: emakakaela, rindkere, nimme-ristluu ja eraldi ka koksiuks. Seega saab lülisamba kaelaosa uurimisel tuvastada veresoonte ja selgroolülide patoloogiaid, mis mõjutavad aju verevarustust.
Nimmepiirkonda uurides võib tuvastada lülidevahelisi herniasid, luude ja kõhrede naelu, aga ka pigistatud närve.

Näidustused:

• Intervertebraalsete ketaste kuju muutused, sealhulgas herniad,
• Selja ja lülisamba vigastused
• Osteokondroos, düstroofsed ja põletikulised protsessid luudes,
• Neoplasmid.

Seljaaju uurimine

See viiakse läbi samaaegselt seljaaju uuringuga.

Näidustused:

• Seljaaju neoplasmide, fokaalsete kahjustuste tõenäosus,
• Et kontrollida seljaaju õõnsuste täitmist tserebrospinaalvedelikuga,
• seljaaju tsüstid,
• Operatsioonijärgse taastumise jälgimiseks
• Kui on seljaajuhaiguse oht.

Ühine läbivaatus

See uurimismeetod on väga tõhus liigese moodustavate pehmete kudede seisundi uurimiseks.

Diagnostikaks kasutatakse:

• Krooniline artriit,
• Kõõluste, lihaste ja sidemete vigastused ( kasutatakse eriti sageli spordimeditsiinis),
• Perelomov,
• pehmete kudede ja luude neoplasmid,
• Muude diagnostiliste meetoditega ei tuvastata kahjustusi.

Kohaldatav:

• Läbivaatus puusaliigesed osteomüeliidi, reieluupea nekroosi, stressimurru, septilise artriidi,
• Põlveliigeste uurimine pingemurdude, mõnede sisemiste komponentide terviklikkuse rikkumise suhtes ( menisk, kõhr),
• Õlaliigese uurimine nihestuste, närvide muljumise, liigesekapsli rebendi,
• Randmeliigese uurimine ebastabiilsuse, hulgimurdude, kesknärvi kinnijäämise ja sidemete kahjustuse korral.

Temporomandibulaarse liigese uurimine

Ettenähtud liigese düsfunktsiooni põhjuste väljaselgitamiseks. See uuring paljastab kõige täielikumalt kõhre ja lihaste seisundi, võimaldab tuvastada nihestused. Seda kasutatakse ka enne ortodontilisi või ortopeedilisi operatsioone.

Näidustused:

• alalõualuu liikuvuse halvenemine,
• Suu avamisel ja sulgemisel kostab klõpsatus,
• Valu templis suu avamisel ja sulgemisel,
• Valu närimislihaste palpeerimisel,
• Valu kaela ja pea lihastes.

Kõhuõõne siseorganite uurimine

Pankrease ja maksa uuring on ette nähtud:

• mitteinfektsioosne kollatõbi,
• Maksa neoplasmi, degeneratsiooni, abstsesside, tsüstide tõenäosus koos tsirroosiga,
• Ravi edenemise jälgimiseks
• Traumaatiliste rebendite korral,
• Kivid sapipõies või sapiteedes,
• mis tahes vormis pankreatiit,
• Neoplasmide tõenäosus,
• Parenhüümsete organite isheemia.

Meetod võimaldab tuvastada pankrease tsüstid ja uurida sapiteede seisundit. Tuvastatakse kõik kanaleid blokeerivad moodustised.

Neeruuuring on ette nähtud, kui:

• neoplasmi kahtlus,
• Neerude lähedal asuvate elundite ja kudede haigused,
• Kuseelundite moodustumise katkemise tõenäosus,
• Kui ekskretoorset urograafiat pole võimalik teha.

Enne siseorganite uurimist tuumamagnetresonantsi abil on vaja läbi viia ultraheliuuring.

Reproduktiivsüsteemi haiguste uurimine

Vaagnapiirkonna uuringud on ette nähtud:

• Emaka, põie, eesnäärme neoplasmi tõenäosus,
• Vigastused,
• vaagna neoplasmid metastaaside tuvastamiseks,
• valu ristluu piirkonnas,
• vesikuliit,
• Lümfisõlmede seisundi uurimine.

Eesnäärmevähi korral on see uuring ette nähtud kasvaja leviku tuvastamiseks lähedalasuvatesse organitesse.

Tund enne analüüsi ei ole soovitav urineerida, sest pilt on informatiivsem, kui põis on mõnevõrra täis.

Uuring raseduse ajal

Hoolimata asjaolust, et see uurimismeetod on palju ohutum kui röntgenikiirgus või kompuutertomograafia, ei ole seda rangelt lubatud kasutada raseduse esimesel trimestril.
Teisel ja kolmandal trimestril on meetod ette nähtud ainult tervislikel põhjustel. Protseduuri oht raseda kehale seisneb selles, et protseduuri käigus kuumenevad osad kuded, mis võib põhjustada soovimatuid muutusi loote kujunemises.
Kuid kontrastaine kasutamine raseduse ajal on rangelt keelatud igal rasedusperioodil.

Ettevaatusabinõud

1. Mõned NMR-paigaldised on konstrueeritud suletud toruna. Inimesed, kes kannatavad suletud ruumide hirmu all, võivad kogeda rünnakut. Seetõttu on parem eelnevalt uurida, kuidas protseduur kulgeb. On avatud tüüpi installatsioone. Need on röntgeniruumiga sarnased ruumid, kuid sellised paigaldused on haruldased.

2. Ruumi, kus seade asub, on keelatud siseneda metallesemete ja elektroonikaseadmetega ( nt kellad, ehted, võtmed), kuna võimsas elektromagnetväljas võivad elektroonikaseadmed puruneda ja väikesed metallesemed lendavad laiali. Samal ajal saadakse mitte täiesti õigeid uuringuandmeid.

Enne kasutamist peate konsulteerima spetsialistiga.

Kvantelektromagnetresonaator

Kvantelektromagnetresonaator (QER) (Kvantelektromagnetresonaator) – suletud topoloogiline objekt sisse kolmemõõtmeline ruum, üldiselt suvalise kujuga “õõnsus”, millel on teatud “pind” teatud “paksusega”. Erinevalt klassikalisest juhtumist pole "" elektromagnetlained'' ja kiirguskaod, kuid faasinihkes elektromagnetväljas esineb "lõputuid" võnkumisi, mis tulenevad kvantomadused KvER.

Taust

Ajalooliselt juhtus nii, et selliseid füüsikalisi reaktiivseid suurusi nagu mahtuvus ja induktiivsus ei võetud praktiliselt arvesse mitte ainult kvant-, vaid isegi klassikalises teoreetilises elektrodünaamikas. Fakt on see, et viimased ei ole otseselt kaasatud Maxwelli võrrandite süsteemi, mille lahendamise tulemusena saadi alati elektromagnetväljad ja kui mõnikord tekkisid saadud lahendustes mõõtmete koefitsiendid, mida saaks seostada mahtuvuse või induktiivsusega, siis oli suhe nendega asjakohane. Samuti on teada, et "välja lähenemine" viib "halbade lõpmatuste" ilmnemiseni, mis on põhjustatud "matemaatilise punkti" (elektrilaenguga) liikumise arvestamisest jõuväljade mõjul. Üldtunnustatud kvantelektrodünaamika ei pääsenud "halbadest lõpmatusest", mille raames töötati välja ka võimsad meetodid "halbade lõpmatuste kompenseerimiseks".

Vastupidi, rakendusfüüsikas on mahtuvuse ja induktiivsuse mõiste leidnud laialdast rakendust esmalt elektrotehnikas ja seejärel raadioelektroonikas. Reaktiivparameetrite kasutamise peamiseks tulemuseks rakendusfüüsikas on tänapäeval laialt levinud infotehnoloogiad, mis põhinevad erinevatel sagedustel elektromagnetlainete tekitamisel, vastuvõtmisel ja edastamisel. Samas arengupuudus teoreetiline tase mahtuvuse ja induktiivsuse füüsikalised kontseptsioonid on tänapäeval juba kujunemas teatud määral arengut piiravaks teguriks. infotehnoloogiadüldiselt ja eelkõige kvantarvutus. Piisab, kui meenutada, et klassikalise mehaanilise ostsillaatori kvantkaalutlus realiseeriti loomise ajastul. kvantmehaanika(nagu üks tema illustratsioone praktilise rakendamise), samas kui kontuuri kvantkaalutlus sõnastati teoreetiliselt alles 20. sajandi 70. aastate alguses ja üksikasjalik kaalumine algas alles 90. aastate keskel.

Esimest korda tõstatas Louisella (1973) monograafias vajadus lahendada Schrödingeri võrrand kvantahela jaoks. Kuna tol ajal puudus arusaam, mis on kvantreaktiivsed parameetrid (ja siis polnud ka praktilisi näiteid), mistõttu laialt levinud see lähenemine ei töötanud. Kvantvõimsuse teoreetiliselt õige kasutuselevõtt, mis põhines olekute tihedusel, võttis esmakordselt kasutusele Luria (1988), kui käsitles kvanthalli efekti (QHE). Kahjuks jäid tollal kasutusele võtmata kvantinduktiivsused, mis samuti järgnesid olekutihedusest ja seetõttu ei toimunud siis kvantreaktiivostsillaatori täielikku arvestamist. Aasta hiljem kaalus Yakimaha (1989) QHE (täisarv ja murdosa) selgitamisel näidet kvantahelate (õigemini nende impedantside) jada-paralleelühendusest. Kuid see töö ei võtnud arvesse nende kvantreaktiivsete parameetrite füüsilist olemust ega võtnud ka arvesse kvantvõrrand Schrödinger reaktiivostsillaatori jaoks. Esimest korda võeti kõigi kvantreaktiivsete parameetrite samaaegne arvessevõtmine läbi Yakimahi (1994) töös MOS-transistoride spektroskoopiliste uuringute käigus madalatel sagedustel (helivahemikus). Lamedate kvantmahtuvuste ja induktiivsuste paksus oli siin võrdne elektroni Comptoni lainepikkusega ja iseloomulik impedants võrdne vaakumi lainetakistusega. Kolm aastat hiljem esitas Devoret (1997). täielik teooria kvantreaktiivne ostsillaator (seoses Josephsoni efektiga). Kvantreaktiivsete parameetrite rakendamist kvantarvutuses käsitleb Devorette (2004).

Klassikaline elektromagnetresonaator

Üldjuhul on klassikaline elektromagnetiline resonaator (CLER). õõnsus 3D-ruumis. Seetõttu on ClERil lõpmatu arv ruumi kolmemõõtmelisusest tingitud resonantssagedused. Näiteks ristkülikukujulisel CLER-il on järgmised resonantssagedused:

Kus; vastavalt laius, paksus ja pikkus, dielektriline konstant, suhteline läbilaskvus, magnetkonstant, suhteline vastuvõtlikkus. Erinevalt klassikalisest LC-ahelast on KLER-is elektri- ja magnetväljad paigutatud samasse ruumi. Need võnkuvad elektromagnetväljad klassikalises vormis elektromagnetlained, mida saab väljastada resonaatorist kaugemale välismaailma. Tänapäeval kasutatakse CLER-e laialdaselt raadiosageduste lainepikkuste vahemikus (sentimeetrites ja detsimeetrites). Lisaks kasutatakse CLER-i ka kvantelektroonikas, mis tegeleb ühevärviliste valguslainetega.

Kvantlähenemine

Quantum LC ahel

IN klassikaline füüsika vahel on meil järgmised vastavusseosed mehaanilised Ja elektrodünaamiline füüsikalised parameetrid:

magnetiline induktiivsus ja mehaaniline mass:

;

elektriline mahutavus ja tagurpidi elastsus:

;

elektrilaeng ja koordinaatide nihe:

.

Kvantoperaator impulss sisse laadimisruum võib esitada järgmisel kujul:

kus antud Plancki konstant, on kompleks-kompleksi konjugeeritud impulsi operaator. Hamiltoni operaator laadimisruum võib esitada järgmiselt:

kus on komplekskonjugaadi laengu operaator ja resonantssagedus. Vaatleme juhtumit ilma energia hajumiseta (). Ainus erinevus laadimisruum ja traditsiooniline 3D-koordinaadiruum seisneb selle ühemõõtmelisuses (1D). Schrödingeri võrrandit kvant-LC ahela jaoks saab määratleda järgmiselt:

Selle võrrandi lahendamiseks on vaja kasutusele võtta järgmised mõõtmeteta muutujad:

Kus suuremahuline "laeng". Siis on Schrödingeri võrrand Tšebõševi-Hermiidi diferentsiaalvõrrandi kujul:

Hamiltoni operaatori omaväärtused on järgmised:

kus meil on null võnkumist:

Üldiselt skaala laeng saab ümber kirjutada kujul:

kus on konstant peen struktuur. See on ilmne skaala laeng erineb elektroni "metallurgilisest" laengust. Lisaks on selle kvantimise vorm:

.

Resonaator kui kvant-LC-ahel

Luria lähenemisviis, mis kasutab energiaseisundite tihedust (DES) annab järgmine määratlus kvantvõimsuse jaoks:

ja kvantinduktiivsus:

kus on resonaatori pindala ja PES kahemõõtmelises ruumis (2D), elektrilaeng (või voog) ja magnetlaeng (või voog). Tuleb märkida, et need vood määratletakse hiljem, kasutades lisatingimusi.

Kvantvõimsuses akumuleeritud energia:

Kvant-induktiivsusele kogunenud energia:

Resonaatori nurksagedus:

Energia jäävuse seadus:

Selle võrrandi saab ümber kirjutada järgmiselt:

millest on selge, et need "laengud" on tegelikult "väljavoolud", mitte "metallurgilised laengud".

Resonaatori iseloomulik takistus:

kus on magnetvoo kvant.

Ülaltoodud võrranditest leiame järgmised elektriliste ja magnetvoog väljad:

Tuleb veel kord meelde tuletada, et need väärtused ei ole "metallurgilised laengud", vaid väljavoolude maksimaalsed amplituudi väärtused, mis toetavad. energia tasakaal resonaatori võnkeenergia vahel ja täis energiat mahtuvuse ja induktiivsuse kohta.

Tuumamagnetresonants (NMR) on tuumaspektroskoopia, mida kasutatakse laialdaselt kõigis füüsikalised teadused ja tööstus. NMR-is enda spinni omaduste uurimine aatomi tuumad kasutatakse suurt magnetit. Nagu iga spektroskoopia, kasutab see elektromagnetkiirgust (raadiosageduslained VHF vahemikus), et luua energiatasemete vahel üleminek (resonants). Keemias aitab NMR määrata väikeste molekulide struktuuri. Tuumamagnetresonants meditsiinis on leidnud rakendust magnetresonantstomograafias (MRI).

Avamine

NMR-i avastasid 1946. aastal Harvardi ülikooli teadlased Purcell, Pound ja Torrey ning Bloch, Hansen ja Packard Stanfordis. Nad märkasid, et 1 H ja 31 P tuumad (prooton ja fosfor-31) on võimelised neelama raadiosageduslikku energiat, kui nad puutuvad kokku magnetväljaga, mille tugevus on iga aatomi jaoks omane. Imendudes hakkasid nad resoneerima, iga element oma sagedusega. See tähelepanek võimaldas meil seda teha üksikasjalik analüüs molekulaarne struktuur. Sellest ajast alates on NMR leidnud rakendust tahkete ainete, vedelike ja gaaside kineetilistes ja struktuuriuuringutes, mille tulemuseks on 6 Nobeli auhinda.

Spin ja magnetilised omadused

Tuum koosneb elementaarosakesed nimetatakse neutroniteks ja prootoniteks. Neil on oma nurkimment, mida nimetatakse spinniks. Nagu elektrone, saab ka tuuma spinni kirjeldada kvantarvudega I ja magnetväljas m. Aatomituumadel, millel on paarisarv prootoneid ja neutroneid, spinn on null ja kõigil teistel on nullist erinev spinn. Lisaks on nullist erineva spinniga molekulidel magnetmoment μ = γ I, kus γ on güromagnetiline suhe, proportsionaalsuskonstant magnetdipoolmomendi ja nurkmomendi vahel, mis on iga aatomi puhul erinev.

Tuuma magnetmoment paneb selle käituma nagu pisike magnet. Välise magnetvälja puudumisel on iga magnet orienteeritud juhuslikult. NMR-eksperimendi käigus asetatakse proov välisesse magnetvälja B0, mis põhjustab madala energiatarbega varrasmagnetite joondumist B0-suunas ja suure energiaga varrasmagneteid vastupidises suunas. Sel juhul toimub muutus magnetite spinni orientatsioonis. Selle üsna abstraktse kontseptsiooni mõistmiseks tuleb NMR-katse ajal arvestada tuuma energiatasemetega.

Energiatasemed

Spinni pööramiseks on vaja täisarv kvante. Iga m jaoks on 2m + 1 energiatase. Spin 1/2 tuuma jaoks on ainult 2 - madal, mille hõivavad spinnid, mis on joondatud B0-ga, ja kõrge, mille hõivavad spinnid, mis on joondatud B0-ga. Iga energiatase on defineeritud avaldisega E = -mℏγB 0, kus m on magnetkvantarv, antud juhul +/- 1/2. M > 1/2 energiatasemed, mida tuntakse kvadrupooli tuumadena, on keerulisemad.

Tasemete energia erinevus on võrdne: ΔE = ℏγB 0, kus ℏ on Plancki konstant.

Nagu näha, on magnetvälja tugevus suur tähtsus, kuna selle puudumisel tasemed degenereeruvad.

Energia üleminekud

Tuumamagnetresonantsi tekkimiseks peab energiatasemete vahel toimuma spinnipööre. Kahe oleku energiaerinevus vastab elektromagnetkiirguse energiale, mis paneb tuumad oma energiataset muutma. Enamikule NMR spektromeetrid B 0 on suurusjärgus 1 Tesla (T) ja γ on suurusjärgus 10 7. Seetõttu on vajalik elektromagnetkiirgus suurusjärgus 10 7 Hz. Footoni energiat väljendatakse valemiga E = hν. Seetõttu on neeldumiseks vajalik sagedus: ν= γB 0 /2π.

Tuumavarjestus

NMR füüsika põhineb tuumavarjestuse kontseptsioonil, mis võimaldab määrata aine struktuuri. Iga aatomit ümbritsevad elektronid, mis tiirlevad ümber tuuma ja toimivad selle magnetväljale, mis omakorda põhjustab väikseid muutusi energiatasemetes. Seda nimetatakse varjestuseks. Tuumasid, mis kogevad lokaalse elektroonilise interaktsiooniga seotud erinevaid magnetvälju, nimetatakse mitteekvivalentseteks. Energiatasemete muutmine pöörlemiseks nõuab teistsugust sagedust, mis loob NMR-spektris uue tipu. Sõelumine võimaldab molekulide struktuuri määrata, analüüsides NMR-signaali Fourier' teisenduse abil. Tulemuseks on spekter, mis koosneb piikide komplektist, millest igaüks vastab erinevale keemilisele keskkonnale. Piigi pindala on otseselt võrdeline tuumade arvuga. detailne info struktuuri kohta otsib NMR interaktsioonid, muutes spektrit erinevatel viisidel.

Lõõgastus

Lõõgastumine viitab nähtusele, kus tuumad naasevad oma juurde termodünaamiliselt olekud, mis on stabiilsed pärast ergastamist kõrgemale energiatasemele. Sel juhul neeldunud energia üleminekul rohkem madal tase kõrgemale. See on kaunis raske protsess, mis toimub erinevatel ajavahemikel. Kaks kõige rohkem levinud relaksatsiooni tüübid on spin-võre ja spin-spin.

Lõõgastumise mõistmiseks on vaja arvestada kogu mustriga. Kui tuumad asetada välisesse magnetvälja, tekitavad nad ruumala magnetiseerumist piki Z-telge.Samuti on nende spinnid koherentsed ja võimaldavad signaali tuvastada. NMR nihutab kogumagnetisatsiooni Z-teljelt XY-tasandile, kus see ilmub.

Spin-võre relaksatsiooni iseloomustab aeg T 1, mis kulub 37% mahumagnetiseerumise taastamiseks piki Z-telge. tõhusam protsess lõõgastus, seda vähem T 1. Kuna tahkete ainete liikumine molekulide vahel on piiratud, on lõõgastusaeg pikk. Mõõtmised viiakse tavaliselt läbi impulssmeetoditega.

Spin-spin-relaksatsiooni iseloomustab vastastikuse koherentsuse aja T 2 kadumine. See võib olla väiksem kui T1 või sellega võrdne.

Tuumamagnetresonants ja selle rakendused

Kaks peamist valdkonda, milles NMR on osutunud äärmiselt oluliseks, on meditsiin ja keemia, kuid uusi rakendusi arendatakse iga päev.

Tuumamagnetresonantstomograafia, rohkem tuntud kui magnetresonantstomograafia (MRI), on oluline meditsiiniline diagnostika tööriist, mida kasutatakse inimkeha funktsioonide ja ehituse uurimiseks. See võimaldab teil saada üksikasjalikud pildid mis tahes organ, eriti pehmed koed, kõigil võimalikel tasapindadel. Kasutatakse kardiovaskulaarsete, neuroloogiliste, luu-lihaskonna ja onkoloogia kuvamise valdkonnas. Erinevalt alternatiivsest arvutikuvamisest ei kasuta magnetresonantstomograafia ioniseerivat kiirgust ja on seetõttu täiesti ohutu.

MRI paljastab väiksemaid muudatusi, mis ilmnevad aja jooksul. NMR-kuvamist saab kasutada haiguse käigus tekkivate struktuuriliste kõrvalekallete tuvastamiseks, kuidas need mõjutavad edasist arengut ja kuidas nende progresseerumine korreleerub häire vaimsete ja emotsionaalsete aspektidega. Kuna MRI ei visualiseeri luud hästi, annab see suurepäraseid pilte intrakraniaalsest ja intravertebraalne sisu.

Tuumamagnetresonantsi kasutamise põhimõtted diagnostikas

MRI protseduuri ajal lamab patsient massiivse õõnsa silindrilise magneti sees ja puutub kokku võimsa, püsiva magnetväljaga. Erinevad aatomid skaneeritud kehaosas resoneerivad erinevatel väljasagedustel. MRI-d kasutatakse peamiselt vesinikuaatomite vibratsiooni tuvastamiseks, mis sisaldavad väikese magnetväljaga pöörlevat prootoni tuuma. MRI-s joondab taustamagnetväli kõik koes olevad vesinikuaatomid. Teine magnetväli, mis on taustväljast erinevalt orienteeritud, lülitub sisse ja välja mitu korda sekundis. Teatud sagedusel aatomid resoneerivad ja joonduvad teise väljaga. Kui see välja lülitub, põrkuvad aatomid tagasi, joondudes taustaga. See loob signaali, mida saab vastu võtta ja pildiks teisendada.

Suures koguses vesinikku sisaldavad koed, mis on inimkehas vee osana, loovad ereda pildi ning vähese või üldse mitte vesinikusisaldusega (näiteks luud) näevad need tumedad välja. MRI heledust suurendab kontrastaine nagu gadodiiamiid, mida patsiendid võtavad enne protseduuri. Kuigi need ained võivad pildikvaliteeti parandada, on protseduuri tundlikkus suhteliselt piiratud. MRI tundlikkuse suurendamiseks töötatakse välja meetodeid. Kõige lootustandvam on paravesiniku kasutamine - vesiniku vorm ainulaadsed omadused molekulaarne spin, mis on väga tundlik magnetväljade suhtes.

MRI-s kasutatavate magnetväljade omaduste paranemine on viinud väga tundlike kuvamistehnikate väljatöötamiseni, nagu difusioon ja funktsionaalne MRI, mis on loodud väga spetsiifiliste koeomaduste pildistamiseks. Lisaks kasutatakse vere liikumise pildistamiseks ainulaadset MRI-tehnoloogia vormi, mida nimetatakse magnetresonantsangiograafiaks. See võimaldab visualiseerida artereid ja veene, ilma et oleks vaja nõelu, kateetreid või kontrastaineid. Nagu MRI puhul, on need meetodid aidanud muuta biomeditsiiniliste uuringute ja diagnostika pöörde.

Täpsemalt Arvutitehnoloogiad võimaldas radioloogidel luua MRI-skannerite abil saadud digitaalsetest lõikudest kolmemõõtmelisi hologramme, mille abil saab määrata kahjustuse täpse asukoha. Tomograafia on eriti väärtuslik aju ja seljaaju, aga ka vaagnaelundite, nagu põis ja käsnluu, uurimisel. Meetodiga saab kiiresti ja selgelt täpselt määrata kasvaja kahjustuse ulatuse ja hinnata insuldi võimalikku kahjustust, võimaldades arstidel õigeaegselt määrata sobiva ravi. MRI on suures osas asendanud artrograafiat, vajadust süstida liigesesse kontrastainet kõhre- või sidemekahjustuse visualiseerimiseks ning müelograafiat, kontrastaine süstimist seljaaju kanalisse, et visualiseerida seljaaju või lülivaheketaste kõrvalekaldeid.

Kasutamine keemias

Paljud laborid kasutavad tänapäeval oluliste keemiliste ja bioloogiliste ühendite struktuuride määramiseks tuumamagnetresonantsi. NMR-spektrites annavad erinevad piigid teavet konkreetse keemilise keskkonna ja aatomitevaheliste sidemete kohta. Enamik levinud Magnetresonantssignaalide tuvastamiseks kasutatavad isotoobid on 1 H ja 13 C, kuid sobivad ka paljud teised, näiteks 2 H, 3 He, 15 N, 19 F jne.

Kaasaegne NMR-spektroskoopia on leidnud laialdast rakendust biomolekulaarsüsteemides ja mängib olulist rolli struktuuribioloogias. Metoodika ja vahendite arenedes on NMR-st saanud üks võimsamaid ja mitmekülgsemaid biomakromolekulide analüüsi spektroskoopilisi meetodeid, mis võimaldab iseloomustada neid ja nende komplekse suurusega kuni 100 kDa. Koos röntgenkristallograafiaga on see üks kahest juhtivast tehnoloogiast nende struktuuri määramiseks aatomi tasemel. Lisaks pakub NMR ainulaadset ja olulist teavet mängitavate valgufunktsioonide kohta otsustavat rolli arendamisel ravimid. Mõned kasutusviisid NMR spektroskoopia on toodud allpool.

• See on ainus meetod biomakromolekulide aatomstruktuuri määramiseks vesilahustes, mis on lähedal. füsioloogiline tingimustes või membraani jäljendavas keskkonnas.
• Molekulaarne dünaamika. See on kõige võimsam meetod kvantifitseerimine Biomakromolekulide dünaamilised omadused.
• Valkude voltimine. NMR spektroskoopia on kõige võimsam vahend voltimata valkude jääkstruktuuride ja voltimismediaatorite määramiseks.
• Ionisatsiooni olek. Meetod on tõhus keemiliste omaduste määramisel funktsionaalsed rühmad biomakromolekulides nagu ionisatsioon ensüümide aktiivsete saitide ioniseeritavate rühmade olekud.
• Tuumamagnetresonants võimaldab uurida makrobiomolekulide vahelisi nõrku funktsionaalseid interaktsioone (näiteks dissotsiatsioonikonstantidega mikromolaarses ja millimolaarses vahemikus), mida ei saa teha teiste meetoditega.
• Valkude hüdratsioon. NMR on tuvastamise tööriist sisemine vesi ja selle koostoimed biomakromolekulidega.
• See on ainulaadne otsese interaktsiooni tuvastamise meetod vesiniksidemed.
• Sõelumine ja ravimite väljatöötamine. Tuumamagnetresonants on eriti kasulik ravimite tuvastamisel ja ensüümide, retseptorite ja muude valkudega seotud ühendite konformatsioonide määramisel.
• Looduslik membraanivalk. Tahkis-TMR-il on potentsiaal membraanivalgu domeenide aatomstruktuuride määramine natiivse membraani keskkonnas, sealhulgas seotud ligandidega.
• Metaboolne analüüs.
• Keemiline analüüs. Sünteetiliste ja looduslike kemikaalide keemiline identifitseerimine ja konformatsioonianalüüs.
• Materjaliteadus. Võimas tööriist polümeeride keemia ja füüsika uurimisel.

Muud rakendused

Tuumamagnetresonants ja selle rakendused ei piirdu ainult meditsiini ja keemiaga. Meetod on osutunud väga kasulikuks muudes valdkondades, nagu kliimatestid, naftatööstus, protsessi juhtimine, maavälja NMR ja magnetomeetrid. Mittepurustav testimine säästab kalleid bioloogilisi proove, mida saab uuesti kasutada, kui on vaja täiendavaid katseid. Tuumamagnetresonantsi geoloogias kasutatakse kivimite poorsuse ja maa-aluste vedelike läbilaskvuse mõõtmiseks. Magnetomeetreid kasutatakse erinevate magnetväljade mõõtmiseks.

1. Nähtuse olemus

   Kõigepealt tuleb märkida, et kuigi selle nähtuse nimi sisaldab sõna "tuuma", pole NMR-il tuumafüüsikaga mingit pistmist ega ole kuidagi seotud radioaktiivsusega. Kui rääkida rangest kirjeldusest, siis kvantmehaanika seadusteta ei saa kuidagi hakkama. Nende seaduste kohaselt võib magnetsüdamiku ja välise magnetvälja interaktsiooni energia võtta vaid mõned diskreetsed väärtused. Kui magnettuumi kiiritada vahelduva magnetväljaga, mille sagedus vastab nende diskreetsete energiatasemete erinevusele, väljendatuna sagedusühikutes, siis hakkavad magnettuumad liikuma ühelt tasandilt teisele, neelates samal ajal vahelduva magnetvälja energiat. valdkonnas. See on magnetresonantsi nähtus. See seletus on vormiliselt õige, kuid mitte väga selge. On veel üks seletus, ilma kvantmehaanikata. Magnetsüdamikku võib ette kujutada elektriliselt laetud kuulina, mis pöörleb ümber oma telje (kuigi rangelt võttes pole see nii). Elektrodünaamika seaduste kohaselt põhjustab laengu pöörlemine magnetvälja, st tuuma magnetmomendi ilmnemist, mis on suunatud piki pöörlemistelge. Kui see magnetmoment asetada konstantsesse välisvälja, siis hakkab selle momendi vektor pretsesseerima, st pöörlema ​​ümber välisvälja suuna. Samamoodi pretsesseerub (pöörleb) ülemise telg vertikaali ümber, kui see pole lahti keeratud rangelt vertikaalselt, vaid teatud nurga all. Sel juhul mängib magnetvälja rolli gravitatsioonijõud.

   Presessioonisageduse määravad nii tuuma omadused kui ka magnetvälja tugevus: mida tugevam väli, seda suurem on sagedus. Siis, kui südamikku mõjutab lisaks konstantsele välisele magnetväljale ka vahelduv magnetväli, hakkab tuum selle väljaga interakteeruma - see näib südamikku tugevamalt õõtsuvat, pretsessiooni amplituud suureneb ja tuum neelab vahelduva välja energiat. Kuid see juhtub ainult resonantsi tingimustes, st pretsessioonisageduse ja välise vahelduva välja sageduse kokkulangemisel. See näeb välja nagu klassikaline näide alates koolifüüsika- sõdurid marssivad mööda silda. Kui sammusagedus ühtib sagedusega loomulikud vibratsioonid sild, siis sild kõigub aina rohkem. Eksperimentaalselt väljendub see nähtus vahelduva välja neeldumise sõltuvuses selle sagedusest. Resonantsi hetkel suureneb neeldumine järsult ja kõige lihtsam magnetresonantsspekter näeb välja selline:

   

2. Fourier' teisenduse spektroskoopia

   Esimesed NMR-spektromeetrid töötasid täpselt nii, nagu eespool kirjeldatud – proov asetati konstantsesse magnetvälja ja sellele rakendati pidevalt raadiosageduslikku kiirgust. Siis kõikus sujuvalt kas vahelduva välja sagedus või konstantse magnetvälja intensiivsus. Vahelduva väljaenergia neeldumine registreeriti raadiosagedusliku silla abil, mille signaal väljastati salvestisse või ostsilloskoobi. Kuid seda signaali salvestamise meetodit pole pikka aega kasutatud. Kaasaegsetes NMR-spektromeetrites registreeritakse spekter impulsside abil. Tuumade magnetmomendid ergastatakse lühikese võimsa impulsiga, misjärel registreeritakse RF mähises vabalt pretsesseerivate magnetmomentide poolt indutseeritud signaal. See signaal väheneb järk-järgult nullini, kui magnetmomendid taastuvad tasakaalu (seda protsessi nimetatakse magnetiliseks lõõgastumiseks). NMR-spekter saadakse sellest signaalist, kasutades Fourier' teisendust. See on standardne matemaatiline protseduur, mis võimaldab jagada mis tahes signaali sagedusharmoonikuteks ja seeläbi saada selle signaali sagedusspekter. See spektri salvestamise meetod võimaldab teil oluliselt vähendada mürataset ja teha katseid palju kiiremini.

   

   Üks põnev impulss spektri salvestamiseks on lihtsaim NMR-katse. Selliseid erineva kestuse, amplituudiga, erineva viivitusega jms impulsse võib katses aga olla palju, olenevalt sellest, milliseid manipulatsioone uurijal tuumamagnetmomentide süsteemiga teha on vaja. Peaaegu kõik need impulsside jadad lõpevad aga sama asjaga – vaba pretsessioonisignaali salvestamisega, millele järgneb Fourier’ teisendus.

3. Magnetilised vastasmõjud aines

   Magnetresonants ise jääks vaid huvitavaks füüsikaliseks nähtuseks, kui see ei oleks tuumade omavahelisi magnetilisi vastastikmõjusid ja molekuli elektronkihiga. Need interaktsioonid mõjutavad resonantsi parameetreid ning nende abiga saab NMR-meetodil anda mitmesugust teavet molekulide omaduste kohta – nende orientatsiooni, ruumilise struktuuri (konformatsiooni), molekulidevahelise interaktsiooni, keemilise vahetuse, pöörlemise ja translatsiooni dünaamika kohta. Tänu sellele on NMR muutunud väga võimas tööriist ainete uurimine molekulaarne tase, mida kasutatakse laialdaselt mitte ainult füüsikas, vaid peamiselt keemias ja molekulaarbioloogia. Ühe sellise interaktsiooni näide on niinimetatud keemiline nihe. Selle olemus on järgmine: elektronkiht molekulid reageerivad välisele magnetväljale ja püüavad seda varjestada – magnetvälja osaline varjestus toimub kõikides diamagnetilistes ainetes. See tähendab, et molekulis olev magnetväli erineb välisest magnetväljast väga vähesel määral, mida nimetatakse keemiliseks nihkeks. Samas on elektronkihi omadused molekuli erinevates osades erinevad ning erinev on ka keemiline nihe. Sellest tulenevalt erinevad ka tuumade resonantstingimused molekuli erinevates osades. See võimaldab spektris eristada keemiliselt mitteekvivalentseid tuumasid. Näiteks kui võtta puhta vee vesiniku tuumade (prootonite) spekter, siis on ainult üks joon, kuna mõlemad prootonid H 2 O molekulis on täpselt samad. Kuid metüülalkoholi CH 3 OH puhul on spektris juba kaks rida (kui jätame teised tähelepanuta magnetilised vastasmõjud), kuna prootoneid on kahte tüüpi – metüülrühma CH 3 prootonid ja hapnikuaatomiga seotud prootonid. Molekulide keerukamaks muutudes suureneb joonte arv ja kui võtta nii suur ja kompleksne molekul, nagu valk, siis sel juhul näeb spekter välja umbes selline:

   

4. Magnetsüdamikud

   TMR-i saab jälgida erinevatel tuumadel, kuid tuleb öelda, et kõigil tuumadel ei ole magnetmomenti. Tihti juhtub, et mõnel isotoopil on magnetmoment, kuid teistel sama tuuma isotoopidel mitte. Seal on rohkem kui sada erinevat isotoopi keemilised elemendid, millel on magnetsüdamikud, kuid uuringutes ei kasutata tavaliselt üle 1520 magnetsüdamiku, kõik muu on eksootiline. Igal tuumal on oma iseloomulik magnetvälja ja pretsessioonisageduse suhe, mida nimetatakse güromagnetiliseks suhteks. Kõikide tuumade puhul on need seosed teada. Nende abil saate valida sageduse, millelt antud magnetvälja puhul signaal saadetakse mida uurija vajab südamikud.

   NMR jaoks on kõige olulisemad tuumad prootonid. Neid on looduses kõige rohkem ja neil on väga kõrge tundlikkus. Süsiniku, lämmastiku ja hapniku tuumad on keemia ja bioloogia jaoks väga olulised, kuid teadlastel pole nendega eriti vedanud: enamlevinud süsiniku ja hapniku isotoobid, 12 C ja 16 O, ei oma magnetmomenti, Lämmastiku isotoobil 14 N on moment, kuid see on mitmel põhjusel katsete jaoks väga ebamugav. On olemas isotoobid 13 C, 15 N ja 17 O, mis sobivad NMR katseteks, kuid nende loomulik arvukus on väga madal ja tundlikkus väga madal võrreldes prootonitega. Seetõttu valmistatakse NMR-uuringuteks sageli spetsiaalseid isotoopidega rikastatud proove, milles konkreetse tuuma looduslik isotoop asendatakse katseteks vajalikuga. Enamasti on see protseduur väga raske ja kulukas, kuid mõnikord on see ainus võimalus vajaliku teabe hankimiseks.

5. Elektronide paramagnetiline ja kvadrupoolresonants

   Rääkides NMR-ist, ei saa mainimata jätta veel kahte seotud füüsikalised nähtused- elektrooniline paramagnetiline resonants(EPR) ja tuumakvadrupoolresonants (NQR). EPR on sisuliselt sarnane NMR-ga, erinevus seisneb selles, et resonantsi ei täheldata mitte aatomituumade, vaid aatomi elektronkihi magnetmomentidel. EPR-i saab jälgida ainult nendes molekulides või keemilistes rühmades, mille elektronkiht sisaldab nn paaritu elektroni, siis on kestal nullist erinev magnetmoment. Selliseid aineid nimetatakse paramagnetiteks. EPR-i kasutatakse sarnaselt NMR-iga ka ainete erinevate struktuursete ja dünaamiliste omaduste uurimiseks molekulaarsel tasemel, kuid selle kasutusala on oluliselt kitsam. See on peamiselt tingitud asjaolust, et enamik molekule, eriti eluslooduses, ei sisalda paarituid elektrone. Mõnel juhul võite kasutada nn paramagnetilist sondi, see tähendab keemilist rühma, millel on paaritu elektron, mis seondub uuritava molekuliga. Kuid sellel lähenemisviisil on ilmsed puudused, mis piiravad selle meetodi võimalusi. Lisaks ei ole EPR-l nii kõrge spektraallahutusvõime (st võime eristada spektris üht joont teisest) kui NMR-is.

   NQR-i olemust on kõige raskem seletada “sõrmedel”. Mõnel tuumal on nn elektriline kvadrupoolmoment. See hetk iseloomustab jaotuse hälvet elektrilaeng tuumad sfäärilisest sümmeetriast. Selle hetke koostoime tekkiva elektrivälja gradiendiga kristallstruktuur ained, viib tuuma energiatasemete lõhenemiseni. Sel juhul võib täheldada resonantsi sagedusel, mis vastab üleminekutele nende tasemete vahel. Erinevalt NMR-ist ja EPR-st ei vaja NQR välist magnetvälja, kuna taseme jagamine toimub ilma selleta. NQR-i kasutatakse ka ainete uurimiseks, kuid selle rakendusala on veelgi kitsam kui EPR-il.

6. NMR eelised ja puudused

   

   NMR on kõige võimsam ja informatiivsem meetod molekulide uurimiseks. Rangelt võttes pole see üks meetod, vaid see on suur number erinevat tüüpi katsed, st impulssjärjestused. Kuigi need kõik põhinevad NMR nähtusel, on kõik need katsed kavandatud teatud spetsiifilise teabe saamiseks. Nende katsete arvu mõõdetakse kümnetes, kui mitte sadades. Teoreetiliselt saab NMR, kui mitte kõike, siis peaaegu kõike, mida kõik teised eksperimentaalsed meetodid molekulide struktuuri ja dünaamika uurimiseks suudavad, kuigi praktikas on see muidugi teostatav, mitte alati. NMR-i üks peamisi eeliseid on see, et ühelt poolt on selle looduslikud sondid, st magnettuumad, jaotunud kogu molekulis ja teisest küljest võimaldab see neid tuumasid üksteisest eristada ja saada ruumiliselt selektiivseid andmeid. molekuli omaduste kohta. Peaaegu kõik muud meetodid annavad teavet, mis on keskmistatud kogu molekuli kohta või ainult selle ühe osa kohta.

   NMR-il on kaks peamist puudust. Esiteks on see enamiku teistega võrreldes madal tundlikkus eksperimentaalsed meetodid(optiline spektroskoopia, fluorestsents, EPR jne). See toob kaasa asjaolu, et müra keskmistamiseks tuleb signaali pikka aega koguda. Mõnel juhul võib NMR-katset läbi viia isegi mitu nädalat. Teiseks on see kallis. NMR-spektromeetrid kuuluvad kõige kallimate teadusinstrumentide hulka, makstes vähemalt sadu tuhandeid dollareid, ja kõige kallimad spektromeetrid maksavad mitu miljonit. Mitte kõik laborid, eriti Venemaal, ei saa endale sellist teaduslikku varustust lubada.

7. Magnetid NMR spektromeetrite jaoks

   Spektromeetri üheks olulisemaks ja kallimaks osaks on magnet, mis loob pideva magnetvälja. Mida tugevam on väli, seda suurem on tundlikkus ja spektraalne eraldusvõime, nii et teadlased ja insenerid püüavad pidevalt väljad võimalikult kõrgele tõsta. Magnetvälja tekitab solenoidis olev elektrivool – mida tugevam on vool, seda suurem on väli. Voolu on aga võimatu lõputult suurendada, väga suure voolu korral hakkab solenoidjuhe lihtsalt sulama. Seetõttu on kõrge väljaga NMR spektromeetrites väga pikka aega kasutatud ülijuhtivaid magneteid, st magneteid, mille solenoidjuhe on ülijuhtivas olekus. Sel juhul elektritakistus juhe on null ja energia vabanemist ei toimu ühegi praeguse väärtuse juures. Ülijuhtiv olek saab ainult väga madalad temperatuurid, vaid paar Kelvini kraadi, on vedela heeliumi temperatuur. ( Kõrge temperatuuri ülijuhtivus- on endiselt ainult puhtalt fundamentaaluuringute pärusmaa.) Just nii madala temperatuuri hoidmisega on seotud kõik magnetite projekteerimise ja tootmise tehnilised raskused, mis muudavad need kalliks. Ülijuhtiv magnet on ehitatud termos-matrjoška põhimõttel. Solenoid asub keskel, vaakumkambris. Seda ümbritseb vedelat heeliumi sisaldav kest. Seda kesta ümbritseb läbi vaakumkihi vedela lämmastiku kest. Vedela lämmastiku temperatuur on miinus 196 kraadi Celsiuse järgi, lämmastikku on vaja selleks, et heelium aurustuks võimalikult aeglaselt. Lõpuks eraldatakse lämmastiku kest toatemperatuuril väline vaakumkiht. Selline süsteem on võimeline säilitama ülijuhtiva magneti soovitud temperatuuri väga pikka aega, kuigi selleks on vaja regulaarselt lisada vedel lämmastik ja heelium. Selliste magnetite eeliseks on lisaks võimele saada kõrgeid magnetvälju ka see, et nad ei tarbi energiat: pärast magneti käivitamist jookseb vool läbi ülijuhtivate juhtmete praktiliselt ilma kadudeta aastaid.

8. Tomograafia

   Tavalistes NMR spektromeetrites püütakse magnetvälja võimalikult ühtlaseks muuta, see on vajalik spektraalse lahutusvõime parandamiseks. Kui aga proovi sees olev magnetväli muudetakse väga ebahomogeenseks, avab see NMR kasutamiseks põhimõtteliselt uued võimalused. Välja ebahomogeensuse tekitavad nn gradientmähised, mis töötavad koos põhimagnetiga. Sel juhul on magnetvälja tugevus proovi erinevates osades erinev, mis tähendab, et NMR signaali saab jälgida mitte kogu proovist, nagu tavalises spektromeetris, vaid ainult selle kitsast kihist, on täidetud resonantstingimused, st soovitud suhe magnetvälja ja sageduse vahel. Muutes magnetvälja suurust (või, mis on sisuliselt sama, signaali jälgimise sagedust), saate muuta signaali tootvat kihti. Nii on võimalik proovi "skannida" kogu selle mahu ulatuses ja "näha" selle sisemist kolmemõõtmelist struktuuri ilma proovi mehaaniliselt hävitamata. Praeguseks on välja töötatud suur hulk tehnikaid, mis võimaldavad mõõta erinevaid NMR parameetreid ( spektraalsed omadused, magnetilised lõdvestusajad, isehajutuskiirus ja mõned teised) koos ruumilise eraldusvõimega proovi sees. Praktilisest vaatenurgast kõige huvitavam ja olulisem oli NMR-tomograafia rakendamine meditsiinis. Sel juhul on uuritavaks "eksemplariks" inimkeha. NMR-kuvamine on üks tõhusamaid ja ohutumaid (aga ka kallimaid) diagnostikavahendeid erinevates meditsiinivaldkondades alates onkoloogiast kuni sünnitusabini. Huvitav on märkida, et arstid ei kasuta selle meetodi nimetuses sõna "tuuma", kuna mõned patsiendid seostavad seda tuumareaktsioonid ja aatomipomm.

9. Avastamise ajalugu

   

   NMR avastamise aastaks loetakse aastat 1945, mil ameeriklased Felix Bloch Stanfordist ja temast sõltumatult Edward Purcell ja Robert Pound Harvardist esimest korda jälgisid NMR signaali prootonitel. Selleks ajaks oli tuumamagnetismi olemusest juba palju teada, teoreetiliselt oli ennustatud ka NMR-efekti ennast ning seda oli tehtud mitmeid katseid katseliselt jälgida. Oluline on märkida, et aasta varem avastas Nõukogude Liidus Kaasanis EPR fenomeni Jevgeni Zavoiski. Nüüdseks on hästi teada, et Zavoisky jälgis ka NMR signaali, see oli enne sõda, 1941. aastal. Tema käsutuses oli aga halva välja ühtlusega madala kvaliteediga magnet; tulemused olid halvasti reprodutseeritavad ja jäid seetõttu avaldamata. Ausalt öeldes tuleb märkida, et Zavoisky polnud ainus, kes jälgis NMR-i enne selle "ametlikku" avastamist. Eriti, Ameerika füüsik Isidor Rabi (võitja Nobeli preemia 1944 tuumade magnetiliste omaduste uurimiseks aatomi- ja molekulaarkiirtes) täheldas ka TMR-i 30ndate lõpus, kuid pidas seda instrumentaalseks artefaktiks. Ühel või teisel viisil säilitab meie riik magnetresonantsi eksperimentaalse tuvastamise prioriteedi. Kuigi Zavoiski hakkas ise varsti pärast sõda tegelema muude probleemidega, mängis tema avastus Kaasani teaduse arengus tohutut rolli. Kaasan on endiselt üks maailma juhtivaid teaduskeskused EPR spektroskoopia abil.

10. Nobeli magnetresonantsi preemiad

    20. sajandi esimesel poolel anti mitu Nobeli preemiat teadlastele, kelle tööta poleks NMR avastamine saanud toimuda. Nende hulgas on Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Kuid neli Nobeli preemiat oli otseselt seotud NMR-ga. 1952. aastal pälvisid auhinna Felix Bloch ja Edward Purcell tuumamagnetresonantsi avastamise eest. See on ainus "NMR" Nobeli füüsikaauhind. 1991. aastal sai keemiaauhinna šveitslane Richard Ernst, kes töötas Zürichi kuulsas ETH-s. Ta pälvis selle mitmemõõtmelise TMR-spektroskoopia meetodite väljatöötamise eest, mis võimaldas radikaalselt suurendada NMR-katsete infosisaldust. 2002. aastal pälvis auhinna, samuti keemias, Kurt Wüthrich, kes töötas koos Ernstiga samas naaberhoonetes. Tehniline kool. Ta sai preemia lahuses olevate valkude kolmemõõtmelise struktuuri määramise meetodite väljatöötamise eest. Enne ainus meetod Ainus viis suurte biomakromolekulide ruumilise konformatsiooni määramiseks oli röntgendifraktsioonianalüüs. Lõpuks, 2003. aastal said ameeriklane Paul Lauterbur ja inglane Peter Mansfield meditsiinipreemia NMR-tomograafia leiutamise eest. EPRi nõukogude avastaja E. K. Zavoisky kahjuks Nobeli preemiat ei saanud.