Флекция 9

1.

Лекция №9.
Использование методов
резонансной радиоспектроскопии
(ЭПР, ЯМР).

2.

Магнитные свойства вещества
Магнитные свойства в той или иной форме присущи всем без исключения веществам: у всех
веществ во внешнем магнитном поле появляется или изменяется магнитный момент (все вещества
"намагничиваются"). Поэтому при описании магнитных свойств веществ часто используется термин
"магнетики".
Все магнетики по их поведению во внешнем магнитном поле можно разделить на два класса:
Диамагнетики, которые намагничиваются навстречу направлению внешнего магнитного поля.
Парамагнетики, которые во внешнем магнитном поле намагничиваются в направлении поля.
Класс парамагнетиков включает в себя:
Парамагнетики: вещества, которые намагничиваются в направлении внешнего поля, и у которых
практически отсутствует взаимодействие между магнитными моментами атомов.
Ферромагнетики: твердые (кристаллические) магнетики, у которых магнитные моменты атомов,
вследствие межатомного взаимодействия, самопроизвольно, без воздействия внешнего магнитного
поля, ориентируются параллельно друг к другу. Из-за этого ферромагнетики в отсутствие внешнего
поля могут обладать намагниченностью.

3.

Магнитный резонанс . Многие вещества в намагниченном состоянии приобретают
способность резонансного поглощения энергии падающих на них электромагнитных волн.
Резонансный характер означает, что поглощение происходит лишь при определенном соотношении
между длиной электромагнитной волны и индукцией магнитного поля, намагничивающего вещество.
Явления такого рода (ферромагнитный резонанс) впервые наблюдал в 1913 году В. К. Аркадьев; их
общее название: магнитный резонанс.
Явления магнитного резонанса используются как эффективное средство исследования свойств и
строения вещества.
В настоящее время известны:
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), обусловленный магнитными моментами неспаренных
электронов в парамагнетиках;
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР), при котором поглощение энергии осуществляется ядрами атомов в результате изменения ориентации их спинов в магнитном поле;
Ферромагнитный резонанс (ФМР), антиферромагнитный резонанс (АФМР), ферримагнитный
резонанс - эти виды магнитного резонанса наблюдаются в магнитоупорядоченых веществах
(соответственно в ферро-, антиферро- и ферримагнетиках).

4.

Явление ЭПР можно наблюдать на:
- атомах и молекулах, которые на своих орбиталях имеют нечетное количество
электронов;
- химических элементах в различных зарядовых состояниях;
- свободных радикалах – метильный радикал, нитроксильные радикалы и др.;
- молекулах с четным числом электронов;
- наночастицах – суперпарамагнетиках;
- при изучение жидких сред организма;
- лекарственных веществ, физиологически активных веществ, вакцин, сывороток,
кровезаменителей;
- болезнетворных микробов, микробов-сапрофитов,
- при изучении тканей и органов животных;
При помощи ЭПР можно изучать лишь объекты, обладающие неспаренными
электронами.

5.

История открытия метода ЭПР
Метод электронного парамагнитного
резонанса был открыт в 1944 г. Е.К. Завойским при
исследовании взаимодействия электромагнитного
излучения
микроволнового диапазона с солями
металлов. Он заметил, что монокристалл
CuCl,
помещенный в постоянное магнитное поле (4 мТл),
может поглощать излучение с частотой около 133
МГц.
В 1958 г Л. А. Блюменфельд и А. Э. Калмансон
впервые
применили
ЭПР в биологических
исследованиях при изучении свободных радикалов
белков, полученных под действием ионизирующего
излучения.

6.

Электронные переходы в биологических молекулах
Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает определенной
энергией. Таким образом в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Все
стабильные молекулы на каждом электронном энергетическом уровне имеют по два электрона с
противоположно направленными спинами. В определенных условиях может происходить либо отрыв
одного электрона либо присоединение одного электрона к молекуле. Молекула имеющая
неспаренный электрон называется свободным радикалом. Энергию которую необходимо затратить,
чтобы оторвать электрон от молекулы называют потенциалом ионизации.

7.

Электронный парамагнитный резонанс
У атома помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями
маловероятны.
Такие переходы осуществляются индуцированно под влиянием внешнего магнитного поля.
Необходимое условие для этого: совпадение частоты электромагнитного поля и частоты фотона
соответствующего разности энергий между подуровнями.
При этом происходит поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют
магнитным резонансом.
В зависимости от типа частиц, носителей магнитного момента (электрон, ядро), различают ЭПР и
ЯМР.
Электронный парамагнитный резонанс это
явление резонансного поглощения
электромагнитного излучения парамагнитными частицами (молекулами, атомами, ионами,
радикалами обладающими магнитным моментом обусловленным электронами) помещенными в
постоянное магнитное поле, обусловленное квантовыми переходами между магнитными
подуровнями парамагнитных атомов и ионов.
Метод электронного парамагнитного резонанса является основным методом для изучения
парамагнитных частиц (вещество, намагничивающееся во внешнем магнитном поле в
направлении поля).

8.

Эффект Зеемана
Нескомпенсированный магнитный момент
неспаренного электрона с свободных радикалах делает
всю молекулу парамагнитной. При отсутствии внешнего
магнитного поля магнитные моменты электронов
ориентированы случайным образом (слева), и их энергия
практически не отличается друг от друга.
Если свободный радикал помещается во внешнее
магнитное поле, то
магнитные моменты электронов
ориентируются в поле только одним из двух способов: по
полю (при этом энергия электронов уменьшается или
против поля (энергия возрастает) и их энергетический
уровень расщепляется на два подуровня.
Разность энергий этих двух энергетических состояний
определяется выражением:
– основное уравнение резонанса
где