§ 204. Магнитный резонанс

Пусть в постоянное магнитное поле с напряженностью помещено вещество, содержащее частицы со спином и магнитным моментом Потенциальная энергия этой частицы в поле есть скалярное произведение Согласно общему закону квантовой механики эта энергия может принять лишь дискретный ряд значений, соответственно возможным ориентациям спина и магнитного момента в пространстве.

Каким же образом можно обнаружить возникшую систему энергетических уровней? Как всегда, по энергетическим переходам.

Правила отбора позволяют лишь переходы между соседними уровнями, отличающимися на единицу в значении Пусть, например, в одном состоянии

а в другом —

Следовательно, разность энергий равна

Энергетические уровни будут равноотстоящими.

Вычисленной разности уровней соответствует частота излученного или поглощенного кванта энергии

Для электрона

для протона

Мы видим, что каждому значению соответствует своя характеристическая частота, называемая частотой магнитного резонанса. Для практически возможного интервала напряженностей поля эти частоты лежат в радиодиапазоне: для ядер — в области коротких и ультракоротких волн, для электронов — в сантиметровой области.

Опыт и теоретические соображения показывают, что нет практической возможности фиксировать излучение, соответствующее этим частотам. Зато можно с успехом наблюдать резонансное поглощение электромагнитных волн соответствующей длины. Для этого вещество помещают в катушку, присоединенную к генератору высокой частоты, а катушку помещают в постоянное магнитное поле. Резонанс можно «ловить», либо изменяя напряженность поля при неизменной частоте, либо, напротив, меняя частоты при том же значении Магнитный резонанс обладает исключительной остротой. Ширина пика поглощения — величина порядка при частоте

Рис. 235.

Магнитный резонанс имеет широкое приложение как метод исследования вещества. Большой интерес имеет обнаружение как электронного резонанса, так и ядерного. Наличие электронов с некомпенсированными спинами указывает химику на присутствие в веществе так называемых свободных радикалов, позволяет делать выводы о характере химических связей. С помощью ядерного резонанса можно определить химический состав вещества. Однако большое значение имеет следующее обстоятельство. Магнитный резонанс является настолько чувствительным эффектом, что отзывается на «добавку» поля, создаваемого электронной оболочкой атома, к внешнему полю. Оказалось, что характер этого добавочного поля зависит от свойств химической связи данного атома с остальными. Таким образом, резонансные частоты данного атома слегка варьируют в зависимости от его химической связи. Это явление носит название химического сдвига.

На рис. 235 изображена осциллограмма спектра поглощения химического соединения. Это — картина магнитного резонанса ядер фтора. На осциллограмме видны четыре линии, причем одна из них в три раза выше трех других. В молекуле, структурная формула которой дана на рисунке, имеются четыре «разных» атомов фтора. Атомов фтора, входящих в группу в три раза больше, чем других двух «химически разных» атомов. Химический сдвиг разделил резонанс ядер атомов фтора и создал возможность установления структурной формулы этого соединения.

Таким образом, явление ядерного резонанса дает нам новый способ химического анализа, позволяющий определить не химическую

брутто-формулу, т. е. для нашего примера общую долю всех атомов фтора по отношению, скажем, к атомам водорода, а детальную химическую формулу, позволяющую находить доли разносвязанных атомов одного сорта.