Strona 1

Rezonatory elektromagnetyczne składają się głównie z obszaru dielektrycznego ograniczonego przewodzącymi ściankami.

Rezonatory elektromagnetyczne mogą mieć różnorodne kształty. Szczególnie ważną klasą są rezonatory, które są falowodami cylindrycznymi z zamkniętymi końcami. Zakładamy, że powierzchnie końcowe są płaszczyznami prostopadłymi do osi cylindra.

W jakim celu rezonatory elektromagnetyczne są często powlekane od wewnątrz srebrem?

W przypadek ogólny w teorii rezonatorów elektromagnetycznych poszukuje się rozwiązań równań Maxwella lub równań pochodnych drugiego rzędu przy spełnionych warunkach brzegowych.

Wyjaśnij, dlaczego ostrość strojenia miedzianego rezonatora elektromagnetycznego można znacznie poprawić poprzez zanurzenie go w ciekłym powietrzu.

WIELOMODOWY, przeznaczony do numerycznej symulacji osiowosymetrycznych i podłużnie jednorodnych rezonatorów elektromagnetycznych o złożonych kształt geometryczny. Zastosowane w pakiecie dwukwadratowe izoparametryczne elementy skończone pozwalają na wystarczające przybliżenie zakrzywionych odcinków granic i przy niewielkiej liczbie węzłów siatki uzyskanie wartości częstotliwości z dokładnością wymaganą w praktyce. Metoda iteracji podprzestrzennej umożliwia jednoczesne znalezienie kilku pierwszych częstotliwości własnych i odpowiadających im funkcji, bez konieczności uzyskania a priori informacji o rozkładzie widma. Metoda pozwala na obliczenie zarówno częstotliwości prostych, jak i wielokrotnych. Porównanie przy rozwiązywaniu identycznych problemów innymi metodami na komputerze tej samej klasy pokazuje, że MULTIMODE wymaga o 1 - 2 rzędy wielkości mniej czasu procesora przy zachowaniu tej samej dokładności. Umożliwia to efektywne obliczanie skomplikowanych rezonatorów, a także optymalizację ich geometrii. Opakowanie posiada własną grafikę oprogramowanie, co umożliwia odbiór Reprezentacja graficzna wyniki. Obecnie pakiet MULTIMODE został wdrożony w JINR, IHEP, INP AS USSR, IM BAN i służy do projektowania nowych obiektów akceleratorowych.

Kulista wnęka o promieniu a w ośrodku przewodzącym może służyć jako rezonator elektromagnetyczny.

Przenosimy pytanie na nieznany nam mechanizm emisji promieniowania atomu czy w ogóle rezonatora elektromagnetycznego.

Przenosimy pytanie na nieznany nam mechanizm emisji promieniowania atomu czy w ogóle rezonatora elektromagnetycznego. Rozwiązując problem rozdziału energii pomiędzy rezonatorami, Planck przyjął, że dany rezonator, mając określoną liczbę drgań v, może przyjąć jedynie całe porcje energii hv. W czasach nowożytnych Planck pokazał, że można nawet poprzestać na założeniu, że promieniowanie występuje tylko w porcjach/iv, natomiast absorpcja zachodzi w sposób ciągły.

Teoria metody opiera się na uogólnionym twierdzeniu o działaniu dla rezonatora elektromagnetycznego: w bezstratnym rezonatorze elektromagnetycznym energia całkowita jest niezmienna względem jakiejkolwiek zmiany adiabatycznej, w której okres oscylacji pozostaje niezmienny. Zmiana adiabatyczna uważa się, że zmiana zachodzi bardzo powoli w porównaniu z okresem oscylacji.

W systemach telemetrycznych dla linie drutowe W komunikacji w Związku Radzieckim najczęściej stosowane są przetwornice kompensacyjne z rezonatorami elektromagnetycznymi, sterowanymi (częstotliwościowo) prądem stałym. Ten kierunek wdrażania przetwornic częstotliwości do systemów telemetrycznych w ZSRR zaproponował i rozwinął prof.

Istnieje inna metoda określania funkcje falowe, w oparciu o następujące zjawisko. Jeśli do rezonatora elektromagnetycznego zostanie wprowadzone małe ziarno metalu (kulka), częstotliwość rezonansowa wzrośnie, a przesunięcie rezonansu będzie proporcjonalne do kwadratu natężenia pola elektrycznego w miejscu, w którym znajduje się ziarno.

kuchenka mikrofalowa pole magnetyczne; M0 jest stałym składnikiem namagnesowania; Nt i Nz - poprzeczne i wzdłużne czynniki rozmagnesowujące; Ale także R0 to wewnętrzne i zewnętrzne pola magnesujące; DN i AY to połowa szerokości statycznej krzywej FMR odpowiednio ośrodka ferrytowego i próbki. Równanie (1) różni się od równania opisującego drgania rezonatora elektromagnetycznego w postaci jego prawej strony. Prawa strona równania na składową wektora M w tym lub innym kierunku poprzecznym, oprócz składowej pola mikrofalowego w tym kierunku, zawiera pochodne składowych poprzecznych pola.

Chociaż opisaliśmy wnęka rezonansowa z wyglądu bardzo różni się od konwencjonalnego obwodu rezonansowego składającego się z cewki i kondensatora, jednak oba układy rezonansowe są ze sobą ściśle powiązane. Obaj są członkami tej samej rodziny; To tylko dwa skrajne przykłady rezonatorów elektromagnetycznych, a pomiędzy nimi można umieścić wiele stopni pośrednich. Zacznijmy, powiedzmy, od podłączenia kondensatora równolegle z indukcyjnością i utworzenia obwodu rezonansowego (ryc.

Najbezpieczniejszy jest jądrowy rezonans magnetyczny (NMR). metoda diagnostyczna

Dziękuję

Informacje ogólne

Zjawisko jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) została odkryta w 1938 roku przez rabina Izaaka. Zjawisko to opiera się na obecności właściwości magnetycznych w jądrach atomowych. Dopiero w 2003 roku wynaleziono metodę wykorzystania tego zjawiska do celów diagnostycznych w medycynie. Za wynalazek jego autorzy otrzymali Nagrodę Nobla. W spektroskopii badane ciało ( to znaczy ciało pacjenta) umieszcza się w polu elektromagnetycznym i napromieniowuje falami radiowymi. Jest to metoda całkowicie bezpieczna ( w odróżnieniu od na przykład tomografii komputerowej), który ma bardzo wysoki stopień rozdzielczość i czułość.

Zastosowanie w ekonomii i nauce

1. W chemii i fizyce do identyfikacji substancji biorących udział w reakcji, a także ostateczne rezultaty reakcje,
2. W farmakologii do produkcji leków,
3. W rolnictwo do ustalenia skład chemiczny ziarno i gotowość do siewu ( bardzo przydatne w hodowli nowych gatunków),
4. W medycynie - do diagnostyki. Bardzo pouczająca metoda diagnozowania chorób kręgosłupa, zwłaszcza krążków międzykręgowych. Umożliwia wykrycie nawet najmniejszych naruszeń integralności dysku. Ujawnia guzy nowotworowe NA wczesne stadia Edukacja.

Istota metody

Metoda magnetycznego rezonansu jądrowego polega na tym, że w momencie, gdy ciało znajduje się w specjalnie dostrojonym, bardzo silnym polu magnetycznym ( 10 000 razy silniejsze niż pole magnetyczne naszej planety), cząsteczki wody obecne we wszystkich komórkach organizmu tworzą łańcuchy ułożone równolegle do kierunku pola magnetycznego.

Jeśli nagle zmienisz kierunek pola, cząsteczka wody wyzwoli cząstkę elektryczności. To właśnie te ładunki są wykrywane przez czujniki urządzenia i analizowane przez komputer. Na podstawie intensywności stężenia wody w komórkach komputer tworzy model badanego narządu lub części ciała.

Przy wyjściu lekarz ma monochromatyczny obraz, na którym bardzo szczegółowo widać cienkie przekroje narządu. Według stopnia zawartości informacji Ta metoda znacznie przewyższa tomografię komputerową. Czasami podaje się nawet więcej szczegółów na temat badanego narządu, niż jest to konieczne do postawienia diagnozy.

Rodzaje spektroskopii rezonansu magnetycznego

• Płyny biologiczne,
• Narządy wewnętrzne.

Technika ta umożliwia szczegółowe zbadanie wszystkich tkanek ludzkiego ciała, w tym także wody. Im więcej płynu w tkankach, tym jaśniejsze i jaśniejsze są na zdjęciu. Kości, w których jest mało wody, są przedstawione w kolorze ciemnym. Dlatego tomografia komputerowa dostarcza więcej informacji w diagnostyce chorób kości.

Technika perfuzji rezonansu magnetycznego umożliwia monitorowanie przepływu krwi przez tkanki wątroby i mózgu.

Dziś w medycynie nazwa ta jest szerzej stosowana MRI (Rezonans magnetyczny ), gdyż wzmianka o reakcji nuklearnej w tytule przeraża pacjentów.

Wskazania

1. Choroby mózgu
2. Badania funkcji poszczególnych części mózgu,
3. Choroby stawów,
4. Choroby rdzenia kręgowego,
5. Choroby narządy wewnętrzne Jama brzuszna,
6. Choroby układu moczowo-rozrodczego,
7. Choroby śródpiersia i serca,
8. Choroby naczyniowe.

Przeciwwskazania

Bezwzględne przeciwwskazania:
1. Rozrusznik serca,
2. Elektroniczne lub ferromagnetyczne protezy ucha środkowego,
3. Aparaty ferromagnetyczne Ilizarowa,
4. Duże metalowe protezy wewnętrzne,
5. Zaciski hemostatyczne naczyń mózgowych.

Przeciwwskazania względne:
1. stymulatory układu nerwowego,
2. pompy insulinowe,
3. Inne rodzaje protez ucha wewnętrznego,
4. protetyczne zastawki serca,
5. zaciski hemostatyczne na inne narządy,
6. Ciąża ( konieczne jest zasięgnięcie opinii lekarza ginekologa),
7. Niewydolność serca w fazie dekompensacji,
8. Klaustrofobia ( strach ograniczona przestrzeń ).

Przygotowanie do badania

Specjalne przygotowanie wymagane jest tylko u pacjentów poddawanych badaniu narządów wewnętrznych ( układu moczowo-płciowego i przewodu pokarmowego): Na pięć godzin przed zabiegiem nie należy jeść.
W przypadku badania głowy, płci pięknej zaleca się demakijaż, ponieważ substancje zawarte w kosmetykach ( na przykład w cieniu do powiek), może mieć wpływ na wyniki. Należy zdjąć całą metalową biżuterię.
Czasami personel medyczny sprawdza pacjenta za pomocą przenośnego wykrywacza metalu.

Jak przebiega badanie?

Przed rozpoczęciem badania każdy pacjent wypełnia ankietę pomagającą zidentyfikować przeciwwskazania.

Urządzenie ma postać szerokiej rurki, w której umieszcza się pacjenta w pozycji poziomej. Pacjent musi pozostać całkowicie nieruchomy, w przeciwnym razie obraz nie będzie wystarczająco wyraźny. Wnętrze rury nie jest ciemne i jest świeża wentylacja, więc warunki zabiegu są dość komfortowe. Niektóre instalacje wytwarzają zauważalny szum, wówczas osoba badana nosi słuchawki dźwiękochłonne.

Czas trwania badania może wynosić od 15 minut do 60 minut.
Niektóre ośrodki medyczne dopuszczają obecność osoby bliskiej lub towarzyszącej pacjentowi w pomieszczeniu, w którym prowadzone jest badanie ( jeśli nie ma przeciwwskazań).

W niektórych ośrodkach anestezjolog podaje leki uspokajające. W takim przypadku zabieg jest znacznie łatwiejszy do tolerowania, szczególnie u pacjentów cierpiących na klaustrofobię, małych dzieci czy pacjentów, którym z jakiegoś powodu trudno jest pozostać w bezruchu. Pacjent zapada w stan snu terapeutycznego, z którego wychodzi wypoczęty i pełen sił. Stosowane leki są szybko eliminowane z organizmu i są bezpieczne dla pacjenta.

Wynik badania gotowy jest w ciągu 30 minut od zakończenia zabiegu. Wynik wydawany jest w formie płyty DVD, raportu lekarskiego i zdjęć.

Zastosowanie środka kontrastowego w NMR

Najczęściej zabieg odbywa się bez użycia kontrastu. Jednak w niektórych przypadkach jest to konieczne (np. do badań naczyniowych). W tym przypadku środek kontrastowy podaje się dożylnie za pomocą cewnika. Procedura jest podobna do każdego wstrzyknięcia dożylnego. Do tego typu badań wykorzystuje się specjalne substancje - paramagnetyki. To są ci słabi substancje magnetyczne, którego cząstki znajdujące się w zewnętrznym polu magnetycznym są namagnesowane równolegle do linii pola.

Przeciwwskazania do stosowania środków kontrastowych:

• Ciąża,
• Indywidualna nietolerancja składników środka kontrastowego, wcześniej zidentyfikowana.

Badanie naczyniowe (angiografia rezonansu magnetycznego)

Za pomocą tej metody można monitorować zarówno stan sieci krążenia, jak i przepływ krwi w naczyniach.
Pomimo tego, że metoda ta pozwala „zobaczyć” naczynia bez środka kontrastowego, to przy jej zastosowaniu obraz jest wyraźniejszy.
Specjalne instalacje 4-D umożliwiają monitorowanie ruchu krwi w czasie niemal rzeczywistym.

Wskazania:

• Wrodzone wady serca,
• Tętniak, rozwarstwienie,
• zwężenie naczyń,

Badania mózgu

To test mózgu, w którym nie wykorzystuje się wiązek radioaktywnych. Metoda pozwala zobaczyć kości czaszki, ale można je zbadać bardziej szczegółowo miękkie tkaniny. Doskonała metoda diagnostyczna w neurochirurgii, a także neurologii. Umożliwia wykrycie następstw starych siniaków i wstrząśnień mózgu, udarów, a także nowotworów.
Zwykle przepisuje się go w przypadku stanów migrenowych o nieznanej etiologii, zaburzeń świadomości, nowotworów, krwiaków i braku koordynacji.

MRI mózgu bada:

• naczynia główne szyi,
• naczynia krwionośne zaopatrujące mózg
• tkanka mózgowa,
• orbity oczodołów,
• głębsze partie mózgu (np. móżdżek, szyszynka, przysadka mózgowa, przedłużona i sekcje pośrednie).

Funkcjonalny NMR

Diagnoza ta opiera się na fakcie, że gdy jakakolwiek część mózgu jest odpowiedzialna za określoną funkcję, zwiększa się krążenie krwi w tym obszarze.
Badanej osobie przydzielane są różne zadania, a podczas ich wykonywania rejestrowane jest krążenie krwi w różnych częściach mózgu. Dane uzyskane podczas eksperymentów porównuje się z tomogramem uzyskanym w okresie odpoczynku.

Badanie kręgosłupa

Metoda ta doskonale nadaje się do badania zakończeń nerwowych, mięśni, szpiku i więzadeł kostnych, a także krążków międzykręgowych. Ale w przypadku złamań kręgosłupa lub konieczności badania struktur kostnych jest nieco gorsza od tomografii komputerowej.

Możesz zbadać cały kręgosłup lub zbadać tylko obszar zainteresowania: odcinek szyjny, piersiowy, lędźwiowo-krzyżowy, a także oddzielnie kość ogonową. Zatem podczas badania kręgosłupa szyjnego można wykryć patologie naczyń krwionośnych i kręgów, które wpływają na dopływ krwi do mózgu.
Podczas badania okolicy lędźwiowej można wykryć przepukliny międzykręgowe, kolce kostne i chrzęstne, a także zaciśnięte nerwy.

Wskazania:

• Zmiany kształtu krążków międzykręgowych, w tym przepukliny,
• Urazy pleców i kręgosłupa
• Osteochondroza, procesy dystroficzne i zapalne w kościach,
• Nowotwory.

Badanie rdzenia kręgowego

Wykonuje się je jednocześnie z badaniem kręgosłupa.

Wskazania:

• Prawdopodobieństwo nowotworów rdzenia kręgowego, zmian ogniskowych,
• Aby kontrolować wypełnienie jam rdzenia kręgowego płynem mózgowo-rdzeniowym,
• Torbiele rdzenia kręgowego,
• Aby monitorować powrót do zdrowia po operacji,
• Jeśli istnieje ryzyko choroby rdzenia kręgowego.

Wspólne badanie

Ta metoda badawcza jest bardzo skuteczna w badaniu stanu tkanek miękkich tworzących staw.

Stosowany do diagnostyki:

• Przewlekłe zapalenie stawów,
• Urazy ścięgien, mięśni i więzadeł ( szczególnie często stosowany w medycynie sportowej),
• Perełomow,
• Nowotwory tkanek miękkich i kości,
• Uszkodzenia niewykryte innymi metodami diagnostycznymi.

Dotyczy:

• Badanie stawy biodrowe z zapaleniem kości i szpiku, martwicą głowy kości udowej, złamaniem przeciążeniowym, septycznym zapaleniem stawów,
• Badanie stawów kolanowych pod kątem złamań naprężeniowych, naruszenia integralności niektórych elementów wewnętrznych ( łąkotka, chrząstka),
• Badanie stawu barkowego pod kątem zwichnięć, ucisku nerwów, pęknięcia torebki stawowej,
• Badanie stawu nadgarstkowego w przypadkach niestabilności, mnogich złamań, uwięźnięcia nerwu pośrodkowego i uszkodzeń więzadeł.

Badanie stawu skroniowo-żuchwowego

Przepisywany w celu ustalenia przyczyn dysfunkcji stawu. To badanie najpełniej ujawnia stan chrząstki i mięśni, pozwala wykryć zwichnięcia. Stosuje się go także przed zabiegami ortodontycznymi czy ortopedycznymi.

Wskazania:

• Upośledzona ruchomość żuchwy,
• Kliknięcie wydaje dźwięki podczas otwierania i zamykania ust,
• Ból w skroni przy otwieraniu i zamykaniu ust,
• Ból podczas dotykania mięśni żucia,
• Ból mięśni szyi i głowy.

Badanie narządów wewnętrznych jamy brzusznej

Badanie trzustki i wątroby jest przepisywane w przypadku:

• żółtaczka niezakaźna,
• Prawdopodobieństwo nowotworu wątroby, zwyrodnienia, ropnia, cyst, z marskością wątroby,
• Aby monitorować postęp leczenia,
• W przypadku traumatycznych zerwań,
• Kamienie w pęcherzyku żółciowym lub drogach żółciowych,
• Zapalenie trzustki w dowolnej postaci,
• prawdopodobieństwo nowotworów,
• Niedokrwienie narządów miąższowych.

Metoda pozwala wykryć torbiele trzustki i zbadać stan dróg żółciowych. Identyfikuje się wszelkie formacje blokujące kanały.

Badanie nerek jest zalecane, gdy:

• Podejrzenie nowotworu,
• Choroby narządów i tkanek znajdujących się w pobliżu nerek,
• Prawdopodobieństwo zakłócenia powstawania narządów moczowych,
• Jeżeli nie ma możliwości wykonania urografii wydalniczej.

Przed badaniem narządów wewnętrznych za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego konieczne jest wykonanie badania ultrasonograficznego.

Badania chorób układu rozrodczego

Badania miednicy są przepisywane w przypadku:

• Prawdopodobieństwo nowotworu macicy, pęcherza moczowego, prostaty,
• Kontuzje,
• Nowotwory miednicy mniejszej w celu identyfikacji przerzutów,
• Ból w okolicy krzyżowej,
• zapalenie pęcherzyków,
• Aby zbadać stan węzłów chłonnych.

W przypadku raka prostaty badanie to jest zalecane w celu wykrycia rozprzestrzeniania się nowotworu na pobliskie narządy.

Nie zaleca się oddawania moczu na godzinę przed badaniem, ponieważ obraz będzie bardziej informacyjny, jeśli pęcherz będzie nieco pełny.

Studiuj w czasie ciąży

Pomimo tego, że ta metoda badawcza jest znacznie bezpieczniejsza niż prześwietlenia rentgenowskie czy tomografia komputerowa, jej stosowanie w pierwszym trymestrze ciąży jest surowo zabronione.
W drugim i trzecim trymestrze metoda jest przepisywana wyłącznie ze względów zdrowotnych. Niebezpieczeństwo zabiegu dla ciała kobiety w ciąży polega na tym, że podczas zabiegu niektóre tkanki ulegają nagrzaniu, co może powodować niepożądane zmiany w powstawaniu płodu.
Jednak stosowanie środka kontrastowego w czasie ciąży jest surowo zabronione na każdym etapie ciąży.

Środki ostrożności

1. Niektóre instalacje NMR są zaprojektowane jako zamknięta rura. Osoby cierpiące na strach przed zamkniętymi przestrzeniami mogą doświadczyć ataku. Dlatego lepiej wcześniej zapytać, jak będzie przebiegać procedura. Istnieją instalacje typu otwartego. Są to pomieszczenia przypominające pracownię rentgenowską, jednak takie instalacje są rzadkością.

2. Zabrania się wchodzenia do pomieszczenia, w którym znajduje się urządzenie, z przedmiotami metalowymi i urządzeniami elektronicznymi ( np. zegarki, biżuteria, klucze), ponieważ w silnym polu elektromagnetycznym urządzenia elektroniczne mogą pęknąć, a małe metalowe przedmioty rozlecą się. Jednocześnie zostaną uzyskane nie do końca prawidłowe dane ankietowe.

Przed użyciem należy skonsultować się ze specjalistą.

Kwantowy rezonator elektromagnetyczny

Kwantowy rezonator elektromagnetyczny (QER) (Kwantowy rezonator elektromagnetyczny) – zamknięty obiekt topologiczny w przestrzeń trójwymiarowa, w ogólnym przypadku, „wnęka” o dowolnym kształcie, która ma określoną „powierzchnię” o określonej „grubości”. W przeciwieństwie do przypadku klasycznego, nie ma „” fale elektromagnetyczne'' i straty promieniowania, ale istnieją „nieskończone” oscylacje pola elektromagnetycznego z przesunięciem fazowym, które wynikają z właściwości kwantowe KvER.

Tło

Historycznie rzecz biorąc, tak się złożyło, że wielkości fizycznie reaktywne, takie jak pojemność i indukcyjność, praktycznie nie były uwzględniane nie tylko w kwantach, ale nawet w klasycznej elektrodynamice teoretycznej. Faktem jest, że te ostatnie nie są wprost ujęte w układzie równań Maxwella, w wyniku rozwiązania którego zawsze otrzymywano pola elektromagnetyczne, a jeśli czasami w otrzymanych rozwiązaniach powstawały współczynniki wymiarowe, które można było powiązać z pojemnością lub indukcyjnością, wtedy stosunek do nich był odpowiedni. Wiadomo też, że „podejście polowe” prowadzi do pojawienia się „złych nieskończoności”, spowodowanych uwzględnieniem ruchu „punktu matematycznego” (z ładunkiem elektrycznym) pod wpływem pól siłowych. Ogólnie przyjęta elektrodynamika kwantowa nie uniknęła „złych nieskończoności”, w ramach których opracowano także potężne metody „kompensacji złych nieskończoności”.

Wręcz przeciwnie, w fizyce stosowanej pojęcie pojemności i indukcyjności znalazło szerokie zastosowanie, najpierw w elektrotechnice, a następnie w radiotechnice. Głównym skutkiem zastosowania parametrów reaktywnych w fizyce stosowanej jest dziś powszechne zastosowanie technologii informatycznych, które opierają się na generowaniu, odbiorze i transmisji fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach. Jednocześnie brak rozwoju poziom teoretyczny Fizyczne koncepcje pojemności i indukcyjności stają się już dziś w pewnym stopniu czynnikiem ograniczającym rozwój Technologie informacyjne ogólnie, a obliczenia kwantowe w szczególności. Wystarczy przypomnieć, że kwantowe rozważania klasycznego oscylatora mechanicznego zrealizowano w epoce stworzenia mechanika kwantowa(jako jedna z jej ilustracji praktyczne zastosowanie), natomiast kwantowe uwzględnianie konturu teoretycznie sformułowano dopiero na początku lat 70. XX wieku, a szczegółowe rozważania zaczęto dopiero w połowie lat 90.

Po raz pierwszy konieczność rozwiązania równania Schrödingera dla obwodu kwantowego została podniesiona w monografii Louiselli (1973). Ponieważ w tamtym czasie nie było wiedzy, czym są parametry reaktywności kwantowej (a nie było wtedy praktycznych przykładów), dlatego rozpowszechniony to podejście nie zadziałało. Teoretycznie poprawne wprowadzenie pojemności kwantowej, które opierało się na gęstości stanów, po raz pierwszy wprowadził Luria (1988) przy rozważaniu kwantowego efektu Halla (QHE). Niestety, nie wprowadzono wówczas indukcyjności kwantowych, które wynikają także z gęstości stanów, dlatego też nie doszło wówczas do pełnego uwzględnienia oscylatora kwantowo-reaktywnego. Rok później Yakimaha (1989) rozważył przykład szeregowo-równoległego połączenia obwodów kwantowych (a raczej ich impedancji) przy wyjaśnianiu QHE (całkowitego i ułamkowego). Jednak w tej pracy nie uwzględniono fizycznej istoty tych parametrów reaktywności kwantowej i również jej nie uwzględniono równanie kwantowe Schrödingera dla oscylatora reaktywnego. Po raz pierwszy jednoczesne uwzględnienie wszystkich parametrów reaktywności kwantowej przeprowadzono w pracy Yakimahi (1994) podczas badań spektroskopowych tranzystorów MIS przy niskich częstotliwościach (zakres audio). Płaskie pojemności i indukcyjności kwantowe miały tutaj grubość równą długości fali Comptona elektronu i charakterystyczną impedancję równą impedancji falowej próżni. Trzy lata później przedstawił Devoret (1997). kompletna teoria oscylator reaktywny kwantowy (w odniesieniu do efektu Josephsona). Zastosowanie parametrów reaktywnych kwantowo w obliczeniach kwantowych opisano w Devorette (2004).

Klasyczny rezonator elektromagnetyczny

W ogólnym przypadku jest to klasyczny rezonator elektromagnetyczny (CLER). wgłębienie w przestrzeni 3D. Dlatego ClER ma nieskończona liczba częstotliwości rezonansowe wynikające z trójwymiarowości przestrzeni. Na przykład prostokątny CLER ma następujące częstotliwości rezonansowe:

Gdzie ; odpowiednio szerokość, grubość i długość, stała dielektryczna, względna przepuszczalność, stała magnetyczna, podatność względna. W odróżnieniu od klasycznego obwodu LC, w KLER pola elektryczne i magnetyczne rozmieszczone są w tej samej objętości przestrzeni. Te oscylujące pola elektromagnetyczne w klasycznej postaci przypadku fale elektromagnetyczne, który może być emitowany do świata zewnętrznego poza rezonatorem. Obecnie CLER są szeroko stosowane w zakresie długości fal częstotliwości radiowej (centymetry i decymetry). Ponadto CLER jest również stosowany w elektronice kwantowej, która zajmuje się monochromatycznymi falami świetlnymi.

Podejście kwantowe

Kwantowy obwód LC

W fizyka klasyczna mamy następujące relacje korespondencyjne pomiędzy mechaniczny I elektrodynamiczny parametry fizyczne:

magnetyczny indukcyjność i mechaniczne masa:

;

elektryczny pojemność i odwrócić elastyczność:

;

ładunek elektryczny i przesunięcie współrzędnych:

.

Operator kwantowy impuls w przestrzeń ładowania można przedstawić w następującej postaci:

gdzie podano Stała Plancka, jest zespolonym operatorem pędu sprzężonego. Operator Hamiltona przestrzeń ładowania można przedstawić jako:

gdzie jest złożonym operatorem ładunku sprzężonego, oraz częstotliwość rezonansowa. Rozważmy przypadek bez rozpraszania energii (). Jedyna różnica pomiędzy przestrzeń ładowania a tradycyjna przestrzeń współrzędnych 3D polega na jej jednowymiarowości (1D). Równanie Schrödingera dla kwantowego obwodu LC można zdefiniować jako:

Aby rozwiązać to równanie, należy wprowadzić następujące zmienne bezwymiarowe:

Gdzie „opłata” na dużą skalę. Wówczas równanie Schrödingera przyjmuje postać równania różniczkowego Czebyszewa-Hermite’a:

Wartościami własnymi dla operatora Hamiltona będą:

gdzie będziemy mieć zerowe oscylacje:

Ogólnie opłata wagowa można przepisać w postaci:

gdzie jest stała delikatna struktura. To oczywiste opłata wagowa różni się od „metalurgicznego” ładunku elektronu. Ponadto jego kwantyzacja będzie miała postać:

.

Rezonator jako kwantowy obwód LC

Daje podejście Lurii wykorzystujące gęstość stanów energetycznych (DES). następująca definicja dla pojemności kwantowej:

i indukcyjność kwantowa:

gdzie jest powierzchnia rezonatora i PES w przestrzeni dwuwymiarowej (2D), ładunek elektryczny (lub strumień) i ładunek magnetyczny (lub strumień). Należy zaznaczyć, że przepływy te zostaną określone później przy zastosowaniu dodatkowych warunków.

Energia zgromadzona w pojemności kwantowej:

Energia zgromadzona na indukcyjności kwantowej:

Częstotliwość kątowa rezonatora:

Prawo zachowania energii:

Równanie to można przepisać jako:

z czego jasno wynika, że ​​owe „ładunki” są w rzeczywistości „przepływami polowymi”, a nie „ładunkami metalurgicznymi”.

Impedancja charakterystyczna rezonatora:

gdzie jest kwant strumienia magnetycznego.

Z powyższych równań możemy znaleźć następujące wartości elektryczne i strumień magnetyczny pola:

Należy jeszcze raz przypomnieć, że wartości te nie są „ładunkami metalurgicznymi”, ale maksymalnymi wartościami amplitudy przepływów pola, które obsługują Balans energetyczny pomiędzy energią oscylacji rezonatora i pełna energia na pojemność i indukcyjność.

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) jest szeroko stosowaną spektroskopią jądrową nauk fizycznych i przemysł. W NMR dla badanie własnych właściwości spinowych jądra atomowe używany jest duży magnes. Jak każda spektroskopia, wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne (fale o częstotliwości radiowej w zakresie VHF) do wytworzenia przejścia pomiędzy poziomami energii (rezonans). W chemii NMR pomaga określić strukturę małych cząsteczek. Jądrowy rezonans magnetyczny w medycynie znalazł zastosowanie w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Otwarcie

NMR zostało odkryte w 1946 roku przez naukowców z Uniwersytetu Harvarda – Purcella, Pounda i Torreya oraz Blocha, Hansena i Packarda w Stanford. Zauważyli, że jądra 1H i 31P (proton i fosfor-31) są w stanie absorbować energię o częstotliwości radiowej pod wpływem pola magnetycznego, którego siła jest specyficzna dla każdego atomu. Po wchłonięciu zaczęły rezonować, każdy element miał swoją własną częstotliwość. Ta obserwacja pozwoliła nam przeprowadzić szczegółowa analiza struktura molekularna. Od tego czasu NMR znalazło zastosowanie w badaniach kinetycznych i strukturalnych ciał stałych, cieczy i gazów, co zaowocowało przyznaniem 6 Nagród Nobla.

Właściwości spinowe i magnetyczne

Rdzeń składa się z cząstki elementarne zwane neutronami i protonami. Mają swój własny moment pędu, zwany spinem. Podobnie jak elektrony, spin jądra można opisać liczbami kwantowymi I oraz polem magnetycznym m. Jądra atomowe z parzystą liczbą protonów i neutronów mają spin zerowy, a wszystkie inne mają spin niezerowy. Ponadto cząsteczki o niezerowym spinie mają moment magnetyczny μ = γ I, gdzie γ jest stosunkiem żyromagnetycznym, czyli stałą proporcjonalności pomiędzy magnetycznym momentem dipolowym a momentem kątowym, która jest inna dla każdego atomu.

Moment magnetyczny jądra powoduje, że zachowuje się ono jak mały magnes. W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego każdy magnes jest zorientowany losowo. Podczas eksperymentu NMR próbkę umieszcza się w zewnętrznym polu magnetycznym B0, co powoduje, że magnesy sztabkowe o niskiej energii ustawiają się w kierunku B0, a magnesy sztabkowe o dużej energii w kierunku przeciwnym. W tym przypadku następuje zmiana orientacji wirowania magnesów. Aby zrozumieć tę raczej abstrakcyjną koncepcję, należy wziąć pod uwagę poziomy energii jądra podczas eksperymentu NMR.

Poziomy energii

Aby odwrócić spin, wymagana jest całkowita liczba kwantów. Na każdy m przypada 2m + 1 poziomów energii. Dla jądra o spinie 1/2 są tylko 2 - niskie, zajmowane przez spiny ustawione względem B0 i wysokie, zajmowane przez spiny ustawione względem B0. Każdy poziom energii jest zdefiniowany przez wyrażenie E = -mℏγB 0, gdzie m jest magnetyczną liczbą kwantową, w tym przypadku +/- 1/2. Poziomy energii dla m > 1/2, znane jako jądra kwadrupolowe, są bardziej złożone.

Różnica energii pomiędzy poziomami jest równa: ΔE = ℏγB 0, gdzie ℏ jest stałą Plancka.

Jak widać, siła pola magnetycznego ma bardzo ważne, ponieważ w przypadku jego braku poziomy ulegają degeneracji.

Przejścia energetyczne

Aby wystąpił jądrowy rezonans magnetyczny, musi nastąpić przewrót spinowy pomiędzy poziomami energii. Różnica energii między obydwoma stanami odpowiada energii promieniowania elektromagnetycznego, które powoduje, że jądra zmieniają swój poziom energii. Dla większości Spektrometry NMR B 0 jest rzędu 1 Tesli (T), a γ jest rzędu 10 7. Dlatego wymagane promieniowanie elektromagnetyczne jest rzędu 10,7 Hz. Energię fotonu opisuje wzór E = hν. Zatem częstotliwość wymagana do absorpcji wynosi: ν= γB 0 /2π.

Osłona nuklearna

Fizyka NMR opiera się na koncepcji osłony jądrowej, która pozwala określić strukturę materii. Każdy atom jest otoczony elektronami krążącymi wokół jądra i działającymi na jego pole magnetyczne, co z kolei powoduje niewielkie zmiany poziomów energii. Nazywa się to ekranowaniem. Jądra, które doświadczają różnych pól magnetycznych związanych z lokalnymi oddziaływaniami elektronowymi, nazywane są nierównoważnymi. Zmiana poziomów energii w celu odwrócenia spinu wymaga innej częstotliwości, co tworzy nowy pik w widmie NMR. Badanie przesiewowe umożliwia określenie strukturalne cząsteczek poprzez analizę sygnału NMR przy użyciu transformaty Fouriera. Rezultatem jest widmo składające się z zestawu pików, z których każdy odpowiada innemu środowisku chemicznemu. Powierzchnia piku jest wprost proporcjonalna do liczby jąder. dokładna informacja Informacje o strukturze są pobierane przez Oddziaływania NMR, zmieniając widmo na różne sposoby.

Relaks

Relaksacja odnosi się do zjawiska powrotu jąder do swoich termodynamicznie stany stabilne po wzbudzeniu do wyższych poziomów energii. W tym przypadku energia pochłonięta podczas przejścia z więcej niski poziom na wyższą. To jest ładne trudny proces, rozgrywające się w różnych ramach czasowych. Najbardziej dwa wspólny Rodzaje relaksacji to spin-sieć i spin-spin.

Aby zrozumieć relaksację, należy wziąć pod uwagę cały schemat. Jeśli jądra zostaną umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym, wytworzy się namagnesowanie objętościowe wzdłuż osi Z. Ich spiny są również spójne i umożliwiają wykrycie sygnału. NMR przesuwa namagnesowanie w masie z osi Z do płaszczyzny XY, gdzie się pojawia.

Relaksację spinowo-sieciową charakteryzuje czas T 1 potrzebny do przywrócenia 37% namagnesowania objętościowego wzdłuż osi Z bardziej efektywny proces relaks, tym mniej T 1. W ciałach stałych, ponieważ ruch pomiędzy cząsteczkami jest ograniczony, czas relaksacji jest długi. Pomiary przeprowadza się najczęściej metodami impulsowymi.

Relaksacja spin-spin charakteryzuje się utratą czasu wzajemnej koherencji T 2 . Może być mniejszy lub równy T1.

Jądrowy rezonans magnetyczny i jego zastosowania

Dwie główne dziedziny, w których NMR okazało się niezwykle ważne, to medycyna i chemia, ale każdego dnia opracowywane są nowe zastosowania.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jądrowego, bardziej znane jako obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), jest ważne narzędzie diagnostyki medycznej, używany do badania funkcji i budowy ludzkiego ciała. Pozwala uzyskać szczegółowe obrazy dowolnego narządu, zwłaszcza tkanek miękkich, we wszystkich możliwych płaszczyznach. Stosowany w obrazowaniu układu sercowo-naczyniowego, neurologicznego, układu mięśniowo-szkieletowego i onkologii. W przeciwieństwie do alternatywnego obrazowania komputerowego, rezonans magnetyczny nie wykorzystuje promieniowania jonizującego i dlatego jest całkowicie bezpieczny.

MRI ujawnia drobne zmiany, pojawiające się w czasie. Obrazowanie NMR można wykorzystać do identyfikacji nieprawidłowości strukturalnych występujących w trakcie choroby, ich wpływu na dalszy rozwój oraz korelacji ich postępu z psychicznymi i emocjonalnymi aspektami choroby. Ponieważ MRI nie pozwala dobrze uwidocznić kości, daje doskonałe obrazy śródczaszkowe i śródkręgowy treść.

Zasady wykorzystania jądrowego rezonansu magnetycznego w diagnostyce

Podczas zabiegu MRI pacjent leży wewnątrz masywnego, pustego w środku cylindrycznego magnesu i jest wystawiony na działanie silnego, trwałego pola magnetycznego. Różne atomy w skanowanej części ciała rezonują z różnymi częstotliwościami pola. MRI wykorzystuje się przede wszystkim do wykrywania drgań atomów wodoru, które zawierają wirujące jądro protonu o małym polu magnetycznym. W rezonansie magnetycznym tło pola magnetycznego ustawia wszystkie atomy wodoru w tkance. Drugie pole magnetyczne, zorientowane inaczej niż pole tła, włącza się i wyłącza wiele razy na sekundę. Przy określonej częstotliwości atomy rezonują i ustawiają się w linii z drugim polem. Kiedy się wyłączy, atomy odbijają się, dopasowując się do tła. W ten sposób powstaje sygnał, który można odebrać i przekształcić w obraz.

Tkanki zawierające dużą ilość wodoru, który w organizmie człowieka występuje jako część wody, tworzą obraz jasny, a przy małej zawartości wodoru lub jego braku (np. kości) wyglądają na ciemne. Jasność obrazu MRI zwiększa środek kontrastowy, taki jak gadodiamid, który pacjenci przyjmują przed zabiegiem. Chociaż środki te mogą poprawić jakość obrazu, czułość procedury pozostaje stosunkowo ograniczona. Opracowywane są metody zwiększające czułość MRI. Najbardziej obiecujące jest zastosowanie parawodoru – formy wodoru z unikalne właściwości spin molekularny, który jest bardzo wrażliwy na pola magnetyczne.

Udoskonalenia w charakterystyce pól magnetycznych stosowanych w MRI doprowadziły do ​​opracowania bardzo czułych technik obrazowania, takich jak dyfuzyjny i funkcjonalny MRI, które mają na celu obrazowanie bardzo specyficznych właściwości tkanek. Dodatkowo do obrazowania ruchu krwi wykorzystywana jest unikalna forma technologii MRI, zwana angiografią rezonansu magnetycznego. Pozwala na wizualizację tętnic i żył bez konieczności stosowania igieł, cewników czy środków kontrastowych. Podobnie jak w przypadku MRI, techniki te pomogły zrewolucjonizować badania i diagnostykę biomedyczną.

Zaawansowany Technologie komputerowe umożliwiło radiologom tworzenie trójwymiarowych hologramów z cyfrowych skrawków uzyskanych za pomocą skanerów MRI, które służą do określenia dokładnej lokalizacji uszkodzenia. Tomografia jest szczególnie cenna w badaniu mózgu i rdzenia kręgowego, a także narządów miednicy, takich jak pęcherz i kość gąbczasta. Dzięki tej metodzie można szybko i wyraźnie określić stopień uszkodzenia guza oraz ocenić potencjalne szkody powstałe w wyniku udaru, co pozwala lekarzom na szybkie zapisanie odpowiedniego leczenia. MRI w dużej mierze zastąpiło artrografię, czyli konieczność wstrzyknięcia środka kontrastowego do stawu w celu uwidocznienia uszkodzenia chrząstki lub więzadła, oraz mielografię, polegającą na wstrzyknięciu środka kontrastowego do kanału kręgowego w celu uwidocznienia nieprawidłowości rdzenia kręgowego lub krążka międzykręgowego.

Zastosowanie w chemii

Wiele laboratoriów wykorzystuje obecnie jądrowy rezonans magnetyczny do określania struktur ważnych związków chemicznych i biologicznych. W widmach NMR różne piki dostarczają informacji o konkretnym środowisku chemicznym i wiązaniach między atomami. Bardzo wspólny Izotopy używane do wykrywania sygnałów rezonansu magnetycznego to 1 H i 13 C, ale odpowiednich jest wiele innych, takich jak 2 H, 3 He, 15 N, 19 F itp.

Nowoczesna spektroskopia NMR znalazła szerokie zastosowanie w układach biomolekularnych i odgrywa ważną rolę w biologii strukturalnej. Wraz z rozwojem metodologii i narzędzi NMR stała się jedną z najpotężniejszych i najbardziej wszechstronnych metod spektroskopowych do analizy biomakromolekuł, która pozwala na charakterystykę ich i ich kompleksów o wielkości do 100 kDa. Razem z krystalografią rentgenowską jest to jedno z dwóch wiodących technologii określania ich struktury na poziomie atomowym. Ponadto NMR dostarcza unikalnych i ważnych informacji na temat funkcji białek, które odgrywają rola decydująca w rozwoju leki. Niektóre zastosowania Spektroskopia NMR podano poniżej.

• Jest to jedyna metoda określenia struktury atomowej biomakrocząsteczek w roztworach wodnych w temperaturze zbliżonej do fizjologiczny warunkach lub środowiskach imitujących membranę.
• Dynamika molekularna. To jest najpotężniejsze metoda ujęcie ilościowe właściwości dynamiczne biomakromolekuł.
• Fałdowanie białek. Spektroskopia NMR jest najpotężniejszym narzędziem do określania struktur resztkowych niesfałdowanych białek i mediatorów fałdowania.
• Stan jonizacji. Metoda jest skuteczna w określaniu właściwości chemicznych grupy funkcyjne w biomakrocząsteczkach, takich jak jonizacja stany ulegających jonizacji grup miejsc aktywnych enzymów.
• Jądrowy rezonans magnetyczny pozwala na badanie słabych oddziaływań funkcjonalnych pomiędzy makrobiocząsteczkami (np. o stałych dysocjacji w zakresie mikromolowym i milimolowym), czego nie można przeprowadzić innymi metodami.
• Nawodnienie białka. NMR jest narzędziem do wykrywania woda wewnętrzna i jego interakcje z biomakromolekułami.
• To jest wyjątkowe metoda wykrywania bezpośredniej interakcji wiązania wodorowe.
• Badania przesiewowe i rozwój leków. W szczególności jądrowy rezonans magnetyczny jest szczególnie przydatny w identyfikacji leków i określaniu konformacji związków związanych z enzymami, receptorami i innymi białkami.
• Natywne białko błonowe. NMR w stanie stałym ma potencjał wyznaczanie struktur atomowych domen białek błonowych w środowisku błony natywnej, w tym ze związanymi ligandami.
• Analiza metaboliczna.
• Analiza chemiczna. Identyfikacja chemiczna i analiza konformacyjna syntetycznych i naturalnych substancji chemicznych.
• Inżynieria materiałowa. Potężne narzędzie w badaniu chemii i fizyki polimerów.

Inne aplikacje

Jądrowy rezonans magnetyczny i jego zastosowania nie ograniczają się do medycyny i chemii. Metoda okazała się bardzo użyteczna w innych obszarach, takich jak badania klimatyczne, przemysł naftowy, kontrola procesu, NMR pola ziemskiego i magnetometry. Badania nieniszczące pozwalają zaoszczędzić na kosztownych próbkach biologicznych, które można ponownie wykorzystać, jeśli potrzebne są dalsze badania. Jądrowy rezonans magnetyczny w geologii służy do pomiaru porowatości skał i przepuszczalności płynów podziemnych. Magnetometry służą do pomiaru różnych pól magnetycznych.

1. Istota zjawiska

   Przede wszystkim należy zauważyć, że chociaż w nazwie tego zjawiska znajduje się słowo „jądrowe”, NMR nie ma nic wspólnego z fizyką jądrową i nie jest w żaden sposób związany z radioaktywnością. Jeśli mówimy o ścisłym opisie, nie da się obejść bez praw mechaniki kwantowej. Zgodnie z tymi prawami energia oddziaływania rdzenia magnetycznego z zewnętrznym polem magnetycznym może przyjmować tylko kilka dyskretnych wartości. Jeśli jądra magnetyczne zostaną napromieniowane zmiennym polem magnetycznym, którego częstotliwość odpowiada różnicy pomiędzy tymi dyskretnymi poziomami energii, wyrażonej w jednostkach częstotliwości, wówczas jądra magnetyczne zaczną przemieszczać się z jednego poziomu na drugi, absorbując energię zmiennego pola magnetycznego pole. Jest to zjawisko rezonansu magnetycznego. Wyjaśnienie to jest formalnie poprawne, lecz niezbyt jasne. Istnieje inne wyjaśnienie, bez mechaniki kwantowej. Rdzeń magnetyczny można sobie wyobrazić jako naładowaną elektrycznie kulę obracającą się wokół własnej osi (choć ściśle rzecz biorąc, tak nie jest). Zgodnie z prawami elektrodynamiki obrót ładunku prowadzi do pojawienia się pola magnetycznego, czyli momentu magnetycznego jądra, który jest skierowany wzdłuż osi obrotu. Jeśli ten moment magnetyczny umieścimy w stałym polu zewnętrznym, wówczas wektor tego momentu zaczyna precesję, czyli obracać się wokół kierunku pola zewnętrznego. W ten sam sposób oś góry precesuje (obraca się) wokół pionu, jeśli nie jest odkręcona ściśle pionowo, ale pod pewnym kątem. W tym przypadku rolę pola magnetycznego pełni siła grawitacji.

   Częstotliwość precesji zależy zarówno od właściwości jądra, jak i od siły pola magnetycznego: im silniejsze pole, tym wyższa częstotliwość. Następnie, jeśli oprócz stałego zewnętrznego pola magnetycznego na rdzeń oddziałuje zmienne pole magnetyczne, wówczas rdzeń zaczyna oddziaływać z tym polem - wydaje się, że rdzeń jest silniej kołysany, amplituda precesji wzrasta, a rdzeń pochłania energię pola zmiennego. Nastąpi to jednak tylko pod warunkiem rezonansu, czyli zbieżności częstotliwości precesji i częstotliwości zewnętrznego pola przemiennego. To wygląda jak klasyczny przykład z fizyka szkolna- żołnierze maszerujący wzdłuż mostu. Jeśli częstotliwość kroku odpowiada częstotliwości naturalne wibracje most, potem most kołysze się coraz bardziej. Eksperymentalnie zjawisko to objawia się zależnością absorpcji pola przemiennego od jego częstotliwości. W momencie rezonansu absorpcja gwałtownie wzrasta, a najprostsze widmo rezonansu magnetycznego wygląda następująco:

   

2. Spektroskopia z transformacją Fouriera

   Pierwsze spektrometry NMR działały dokładnie tak, jak opisano powyżej - próbkę umieszczano w stałym polu magnetycznym i w sposób ciągły przykładano do niej promieniowanie o częstotliwości radiowej. Wtedy albo częstotliwość pola zmiennego, albo natężenie stałego pola magnetycznego zmieniały się płynnie. Absorpcję energii pola zmiennego rejestrowano za pomocą mostka częstotliwości radiowej, z którego sygnał był wysyłany do rejestratora lub oscyloskopu. Ale ta metoda rejestracji sygnału nie była stosowana od dawna. W nowoczesnych spektrometrach NMR widmo rejestrowane jest za pomocą impulsów. Momenty magnetyczne jąder wzbudzane są krótkim, mocnym impulsem, po czym rejestrowany jest sygnał indukowany w cewce RF przez swobodnie występujące momenty magnetyczne. Sygnał ten stopniowo maleje do zera w miarę powrotu momentów magnetycznych do równowagi (proces ten nazywany jest relaksacją magnetyczną). Z tego sygnału uzyskuje się widmo NMR za pomocą transformaty Fouriera. Jest to standardowa procedura matematyczna, która pozwala rozłożyć dowolny sygnał na harmoniczne częstotliwości i w ten sposób uzyskać widmo częstotliwości tego sygnału. Ta metoda rejestracji widma pozwala znacznie obniżyć poziom szumów i znacznie szybciej przeprowadzić eksperymenty.

   

   Jeden ekscytujący impuls do zarejestrowania widma to najprostszy eksperyment NMR. Jednakże w eksperymencie może występować wiele takich impulsów o różnym czasie trwania, amplitudzie, z różnymi opóźnieniami między nimi itp., w zależności od tego, jakiego rodzaju manipulacje badacz musi przeprowadzić z układem jądrowych momentów magnetycznych. Jednakże prawie wszystkie te sekwencje impulsów kończą się tym samym – rejestracją sygnału swobodnej precesji, po którym następuje transformata Fouriera.

3. Oddziaływania magnetyczne w materii

   Sam rezonans magnetyczny pozostałby niczym innym jak ciekawym zjawiskiem fizycznym, gdyby nie oddziaływania magnetyczne jąder między sobą oraz z powłoką elektronową cząsteczki. Oddziaływania te wpływają na parametry rezonansowe i za ich pomocą metoda NMR może dostarczyć szeregu informacji o właściwościach cząsteczek – ich orientacji, strukturze przestrzennej (konformacji), oddziaływaniach międzycząsteczkowych, wymianie chemicznej, dynamice rotacyjnej i translacyjnej. Dzięki temu NMR stał się bardzo potężne narzędzie badania substancji na Poziom molekularny, który jest szeroko stosowany nie tylko w fizyce, ale głównie w chemii i Biologia molekularna. Przykładem takiej interakcji jest tak zwane przesunięcie chemiczne. Jego istota jest następująca: powłoka elektronowa cząsteczki reagują na zewnętrzne pole magnetyczne i starają się je osłonić - częściowe ekranowanie pola magnetycznego występuje we wszystkich substancjach diamagnetycznych. Oznacza to, że pole magnetyczne w cząsteczce będzie się różnić od zewnętrznego pola magnetycznego o bardzo małą wartość, co nazywa się przesunięciem chemicznym. Jednak właściwości powłoki elektronowej w różnych częściach cząsteczki są różne i przesunięcie chemiczne jest również inne. W związku z tym warunki rezonansowe dla jąder w różnych częściach cząsteczki również będą się różnić. Umożliwia to rozróżnienie w widmie jąder chemicznie nierównoważnych. Na przykład, jeśli weźmiemy widmo jąder wodoru (protonów) czystej wody, wówczas będzie tylko jedna linia, ponieważ oba protony w cząsteczce H2O są dokładnie takie same. Ale dla alkoholu metylowego CH 3 OH w widmie będą już dwie linie (jeśli pominiemy pozostałe oddziaływania magnetyczne), ponieważ istnieją dwa rodzaje protonów - protony grupy metylowej CH3 i proton związany z atomem tlenu. W miarę jak cząsteczki stają się coraz bardziej złożone, liczba linii będzie rosnąć, a jeśli weźmiemy tak duży i złożona cząsteczka, jak białko, to w tym przypadku widmo będzie wyglądać mniej więcej tak:

   

4. Rdzenie magnetyczne

   NMR można obserwować na różnych jądrach, ale trzeba powiedzieć, że nie wszystkie jądra mają moment magnetyczny. Często zdarza się, że niektóre izotopy mają moment magnetyczny, a inne izotopy tego samego jądra nie. Istnieje ponad sto różnych izotopów pierwiastki chemiczne, posiadający rdzenie magnetyczne, ale w badaniach zwykle wykorzystuje się nie więcej niż 1520 rdzeni magnetycznych, wszystko inne jest egzotyczne. Każde jądro ma swój własny, charakterystyczny stosunek pola magnetycznego do częstotliwości precesji, zwany stosunkiem żyromagnetycznym. Dla wszystkich jąder zależności te są znane. Za ich pomocą można wybrać częstotliwość, z jaką dla danego pola magnetycznego będzie generowany sygnał potrzebne badaczowi rdzenie.

   Najważniejszymi jądrami w NMR są protony. Występują w przyrodzie najliczniej i mają bardzo dużo wysoka czułość. Jądra węgla, azotu i tlenu są bardzo ważne dla chemii i biologii, ale naukowcy nie mieli z nimi wiele szczęścia: najczęstsze izotopy węgla i tlenu, 12 C i 16 O, nie mają momentu magnetycznego, naturalnego izotop azotu 14 N ma chwilę, ale z wielu powodów jest bardzo niewygodny w eksperymentach. Istnieją izotopy 13 C, 15 N i 17 O, które nadają się do eksperymentów NMR, ale ich naturalna liczebność jest bardzo niska, a ich czułość jest bardzo niska w porównaniu z protonami. Dlatego do badań NMR często przygotowywane są specjalne próbki wzbogacone w izotopy, w których naturalny izotop danego jądra zostaje zastąpiony izotopem potrzebnym do eksperymentów. W większości przypadków zabieg ten jest bardzo trudny i kosztowny, jednak czasami jest to jedyna szansa na uzyskanie niezbędnych informacji.

5. Elektronowy rezonans paramagnetyczny i kwadrupolowy

   Mówiąc o NMR, nie można nie wspomnieć o dwóch innych, powiązanych zjawiska fizyczne- elektroniczny rezonans paramagnetyczny(EPR) i jądrowy rezonans kwadrupolowy (NQR). EPR jest zasadniczo podobna do NMR, z tą różnicą, że rezonans obserwuje się w momentach magnetycznych nie jąder atomowych, ale powłoki elektronowej atomu. EPR można zaobserwować tylko w tych cząsteczkach lub grupach chemicznych, których powłoka elektronowa zawiera tzw. niesparowany elektron, wówczas powłoka ma niezerowy moment magnetyczny. Substancje takie nazywane są paramagnetykami. EPR, podobnie jak NMR, również służy do badania różnych właściwości strukturalnych i dynamicznych substancji na poziomie molekularnym, jednak jej zakres zastosowania jest znacznie węższy. Wynika to głównie z faktu, że większość cząsteczek, zwłaszcza w przyrodzie ożywionej, nie zawiera niesparowanych elektronów. W niektórych przypadkach można zastosować tzw. sondę paramagnetyczną, czyli grupę chemiczną z niesparowanym elektronem, która wiąże się z badaną cząsteczką. Ale to podejście ma oczywiste wady, które ograniczają możliwości tej metody. Ponadto EPR nie charakteryzuje się tak dużą rozdzielczością widmową (tj. zdolnością do odróżnienia jednej linii od drugiej w widmie), jak w NMR.

   Najtrudniej jest wyjaśnić naturę NQR „na palcach”. Niektóre jądra posiadają tak zwany elektryczny moment kwadrupolowy. Ten moment charakteryzuje odchylenie rozkładu ładunek elektryczny jądra z symetrii sferycznej. Oddziaływanie tego momentu na gradient wytworzonego pola elektrycznego struktura krystaliczna substancji, prowadzi do rozszczepienia poziomów energetycznych jądra. W tym przypadku można zaobserwować rezonans przy częstotliwości odpowiadającej przejściom pomiędzy tymi poziomami. W przeciwieństwie do NMR i EPR, NQR nie wymaga zewnętrznego pola magnetycznego, ponieważ bez niego następuje podział poziomów. NQR wykorzystuje się także do badania substancji, jednak jego zakres zastosowania jest jeszcze węższy niż EPR.

6. Zalety i wady NMR

   

   NMR to najskuteczniejsza i najbardziej pouczająca metoda badania cząsteczek. Ściśle mówiąc, nie jest to jedna metoda duża liczba różnego rodzaju eksperymenty, czyli sekwencje impulsów. Chociaż wszystkie opierają się na zjawisku NMR, każde z tych eksperymentów ma na celu uzyskanie konkretnych informacji. Liczbę tych eksperymentów mierzy się w dziesiątkach, jeśli nie setkach. Teoretycznie NMR może, jeśli nie wszystko, to prawie wszystko, co mogą wszystkie inne eksperymentalne metody badania struktury i dynamiki cząsteczek, chociaż w praktyce jest to oczywiście wykonalne nie zawsze. Jedną z głównych zalet NMR jest to, że z jednej strony jego naturalne sondy, czyli jądra magnetyczne, są rozmieszczone w całej cząsteczce, a z drugiej strony pozwala na rozróżnienie tych jąder od siebie i uzyskanie danych przestrzennie selektywnych na właściwości cząsteczki. Prawie wszystkie inne metody dostarczają informacji albo uśrednionych dla całej cząsteczki, albo tylko dla jej części.

   NMR ma dwie główne wady. Po pierwsze, jest to niska czułość w porównaniu do większości innych metody eksperymentalne(spektroskopia optyczna, fluorescencja, EPR itp.). Prowadzi to do tego, że aby uśrednić szum, sygnał musi być kumulowany przez długi czas. W niektórych przypadkach doświadczenie NMR można prowadzić nawet przez kilka tygodni. Po drugie, jest drogie. Spektrometry NMR należą do najdroższych instrumentów naukowych, kosztują co najmniej setki tysięcy dolarów, a najdroższe spektrometry kosztują kilka milionów. Nie wszystkie laboratoria, zwłaszcza w Rosji, mogą sobie pozwolić na taki sprzęt naukowy.

7. Magnesy do spektrometrów NMR

   Jedną z najważniejszych i najdroższych części spektrometru jest magnes, który wytwarza stałe pole magnetyczne. Im silniejsze pole, tym wyższa czułość i rozdzielczość widmowa, dlatego naukowcy i inżynierowie nieustannie starają się uzyskać jak najwyższe pola. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd elektryczny w elektromagnesie – im silniejszy prąd, tym większe pole. Nie można jednak zwiększać prądu w nieskończoność; przy bardzo wysokim prądzie drut elektromagnesu po prostu zacznie się topić. Dlatego też od bardzo dawna w spektrometrach NMR wysokiego pola stosowane są magnesy nadprzewodzące, czyli takie, w których drut elektromagnesu znajduje się w stanie nadprzewodzącym. W tym przypadku opór elektryczny drutu wynosi zero, a uwolnienie energii nie następuje przy żadnej wartości prądu. Stan nadprzewodzący można uzyskać tylko za pomocą bardzo niskie temperatury, zaledwie kilka stopni Kelvina, to temperatura ciekłego helu. ( Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe- jest nadal domeną jedynie badań czysto podstawowych.) To właśnie z utrzymaniem tak niskiej temperatury wiążą się wszystkie trudności techniczne w projektowaniu i produkcji magnesów, które czynią je kosztownymi. Magnes nadprzewodzący zbudowany jest na zasadzie termosu-matrioszki. Elektrozawór znajduje się pośrodku, w komorze próżniowej. Jest otoczony powłoką zawierającą ciekły hel. Powłoka ta jest otoczona powłoką ciekłego azotu przez warstwę próżniową. Temperatura ciekłego azotu wynosi minus 196 stopni Celsjusza. Azot jest niezbędny, aby hel parował tak wolno, jak to możliwe. Na koniec izolowana jest powłoka azotowa temperatura pokojowa zewnętrzna warstwa próżniowa. Taki układ jest w stanie utrzymać pożądaną temperaturę magnesu nadprzewodzącego przez bardzo długi czas, chociaż w tym celu konieczne jest regularne dodawanie ciekły azot i hel. Zaletą takich magnesów, oprócz możliwości uzyskiwania dużych pól magnetycznych, jest także to, że nie zużywają one energii: po uruchomieniu magnesu prąd przepływa przez przewody nadprzewodzące praktycznie bez strat przez wiele lat.

8. Tomografia

   W konwencjonalnych spektrometrach NMR starają się, aby pole magnetyczne było jak najbardziej jednolite, jest to konieczne, aby poprawić rozdzielczość widmową. Jeśli jednak pole magnetyczne wewnątrz próbki stanie się bardzo niejednorodne, otwiera to zasadniczo nowe możliwości zastosowania NMR. Niejednorodność pola jest tworzona przez tzw. cewki gradientowe, które współpracują z magnesem głównym. W tym przypadku wielkość pola magnetycznego w różnych częściach próbki będzie różna, co oznacza, że ​​sygnał NMR będzie można obserwować nie z całej próbki, jak w konwencjonalnym spektrometrze, a jedynie z jej wąskiej warstwy, dla której spełnione są warunki rezonansowe, czyli pożądana zależność pomiędzy polem magnetycznym a częstotliwością. Zmieniając wielkość pola magnetycznego (lub, co w zasadzie to samo, częstotliwość obserwacji sygnału), można zmienić warstwę, która będzie wytwarzać sygnał. W ten sposób możliwe jest „zeskanowanie” próbki w całej jej objętości i „zobaczenie” jej wewnętrznej trójwymiarowej struktury bez mechanicznego niszczenia próbki. Do chwili obecnej opracowano wiele technik umożliwiających pomiar różnych parametrów NMR ( charakterystyka widmowa, czasy relaksacji magnetycznej, szybkość samodyfuzji i inne) z rozdzielczością przestrzenną wewnątrz próbki. Najciekawsze i najważniejsze z praktycznego punktu widzenia zastosowanie tomografii NMR znaleziono w medycynie. W tym przypadku badanym „okazem” jest ciało ludzkie. Obrazowanie NMR to jedno z najskuteczniejszych i najbezpieczniejszych (ale i drogich) narzędzi diagnostycznych w różnych dziedzinach medycyny, od onkologii po położnictwo. Co ciekawe, lekarze nie używają w nazwie tej metody słowa „nuklearna”, gdyż niektórym pacjentom kojarzy się ona z reakcje jądrowe i bombę atomową.

9. Historia odkryć

   

   Za rok odkrycia NMR uważa się rok 1945, kiedy to Amerykanie Felix Bloch ze Stanforda oraz niezależnie od niego Edward Purcell i Robert Pound z Harvardu po raz pierwszy zaobserwowali sygnał NMR na protonach. W tym czasie wiedziano już wiele na temat natury magnetyzmu jądrowego, teoretycznie przewidziano sam efekt NMR i podjęto kilka prób jego eksperymentalnej obserwacji. Warto dodać, że rok wcześniej w Związku Radzieckim, w Kazaniu, zjawisko EPR odkrył Jewgienij Zawojski. Obecnie powszechnie wiadomo, że Zawojski również obserwował sygnał NMR, to było przed wojną, w 1941 roku. Miał jednak do dyspozycji magnes niskiej jakości o słabej jednorodności pola; wyniki były słabo powtarzalne i dlatego pozostały niepublikowane. Aby być uczciwym, należy zauważyć, że Zawojski nie był jedynym, który obserwował NMR przed jego „oficjalnym” odkryciem. W szczególności, Amerykański fizyk Izydor Rabi (zwycięzca nagroda Nobla 1944 do badania właściwości magnetycznych jąder w wiązkach atomowych i molekularnych) również zaobserwował NMR pod koniec lat 30. XX wieku, ale uznał to za artefakt instrumentalny. Tak czy inaczej, nasz kraj zachowuje priorytet w eksperymentalnym wykrywaniu rezonansu magnetycznego. Choć sam Zawojskij wkrótce po wojnie zaczął zajmować się innymi problemami, jego odkrycie odegrało ogromną rolę w rozwoju nauki w Kazaniu. Kazań nadal pozostaje jedną z czołowych firm na świecie ośrodków naukowych za pomocą spektroskopii EPR.

10. Nagrody Nobla w dziedzinie rezonansu magnetycznego

    W pierwszej połowie XX wieku przyznano kilka Nagród Nobla naukowcom, bez których pracy odkrycie NMR nie byłoby możliwe. Są wśród nich Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ale były cztery Nagrody Nobla bezpośrednio związane z NMR. W 1952 roku nagrodę otrzymali Felix Bloch i Edward Purcell za odkrycie jądrowego rezonansu magnetycznego. To jedyna Nagroda Nobla „NMR” w dziedzinie fizyki. W 1991 roku nagrodę z chemii otrzymał Szwajcar Richard Ernst, który pracował w słynnej ETH w Zurychu. Otrzymał ją za rozwój metod wielowymiarowej spektroskopii NMR, która pozwoliła radykalnie zwiększyć zawartość informacyjną eksperymentów NMR. W 2002 roku laureatem nagrody, także w dziedzinie chemii, został Kurt Wüthrich, który pracował z Ernstem w sąsiednich budynkach w tej samej Technikum. Otrzymał nagrodę za opracowanie metod określania trójwymiarowej struktury białek w roztworze. Zanim jedyna metoda Jedynym sposobem określenia konformacji przestrzennej dużych biomakromolekuł była analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich. Wreszcie w 2003 roku Amerykanin Paul Lauterbur i Anglik Peter Mansfield otrzymali nagrodę medyczną za wynalezienie tomografii NMR. Radziecki odkrywca EPR, E.K. Zavoisky, niestety nie otrzymał Nagrody Nobla.