פיזיקת תהודה מגנטית

תהודה מגנטית, קליטה או פליטה של ​​קרינה אלקטרומגנטית על ידי אלקטרונים או גרעינים אטומיים כתגובה ליישום שדות מגנטיים מסוימים. עקרונות התהודה המגנטית מיושמים במעבדה לניתוח התכונות האטומיות והגרעיניות של החומר.

תהודה אלקטרונית-ספין (ESR) נצפתה לראשונה בשנת 1944 על ידי פיזיקאי סובייטי, YK Zavoysky, בניסויים על מלחים של קבוצת האלמנטים מברזל. ESR איפשר את המחקר של תופעות כמו הפגמים המבניים המעניקים לגבישים מסוימים את צבעם, היווצרות והרס של רדיקלים חופשיים בדגימות נוזליות ומוצקות, התנהגותם של אלקטרונים חופשיים או הולכה במתכות ותכונות של מצבים גרועים (מצבים נרגשים שאריכים חיים מכיוון שהעברת אנרגיה מהם בקרינה אינה מתרחשת) בגבישים מולקולריים.

התהודה המגנטית הגרעינית (NMR) של פרוטונים נצפתה לראשונה בארצות הברית בשנת 1946 על ידי פליקס בלוך, ויליאם וו. הנסן, ומרטין א. פקרד ובאופן עצמאי על ידי אדוארד מ. פרסל, רוברט פונד, והנרי סי. מדענים צפו במהרה ב- NMR כמעט בכל הגרעינים היציבים עם רגעים גרעיניים גדולים מאפס (כמאה מינים). גילויים מאוחרים יותר עם NMR כללו השפעות חשמליות מרובעות; שינוי חשוב של תדרי ה- NMR במתכות; ופיצול רמות האנרגיה בנוזלים הנובעים משינויים במבנה הכימי והשפעת סיבוב גרעיני אחד על אחר.

חלקיק של חומר שמסתובב סביב צירו שלו או נע במסלול סביב נקודה חיצונית כלשהי, פועל כמו גירוסקופ: הוא מתנגד לכוחות שנוטים לשנות את מצב התנועה שלו. מדד ההתנגדות הזו הוא התנע הזוויתי המכני, התלוי במסת החלקיק, בגודלו או במסלולו, ובמהירות הזוויתית (מספר המהפכות בזמן ליחידה). התנע הזוויתי מיוצג על ידי וקטור המכוון לאורך ציר הסיבוב. מטען חשמלי בתנועה כזו יוצר שדה מגנטי עם חוזק וכיוון המיוצג על ידי וקטור מגנטי המסומן μ. וקטור זה, שהוא פרופורציונאלי לגודל המטען (במקום מסת חלקיק), מודד את נטיית ציר הסיבוב של המטען ליישר את עצמו בכיוון של שדה מגנטי חיצוני. תנועתו של חלקיק שיש לו מסה וגם מטען מאופיינת בשני הווקטורים הללו, שיהיו קולניים, אך עשויים להיות מכוונים בניגוד, תלוי בסימן המטען.

אם מגנט מוט שאינו מסתובב ממוקם בשדה מגנטי, הקוטב הצפוני שלו מחפש את הקוטב הדרומי של השדה, והוא בא לנוח עם שדה משלו מיושר לשדה החיצוני. העבודה תידרש לשינוי אוריינטציה; משמעות הדבר היא שהמערכת יכולה לאגור אנרגיה פוטנציאלית. האנרגיה הקשורה למגנט תלויה, אם כן, ברגע המגנטי שלו, בחוזק השדה המגנטי החיצוני ובזווית שבין כיוון הרגע של המגנט לכיוון השדה החיצוני.

באיור 1 הווקטור המגנטי μ של חלקיק טעון ספינינג מתואר שוכב לאורך ציר סיבוב. השדה המגנטי שמסביב (המסומן על ידי הווקטור H) מפעיל מומנט הנוטה להביא μ ו- H ליישור, אך מומנט זה מתקיים גם הוא עם וקטור התנע הזוויתי; ההשפעה של אינטראקציה זו היא לגרום לציר הסיבוב (והווקטור של הרגע המגנטי) לעבור את מה שמכונה פרשתיסיית לרמור, כלומר לתאר קונוס על כיוון השדה המגנטי. על פי האלקטרו-דינמיקה הקלאסית, התדר (ω _L) של הכדאיות של לרמור (מספר הסיבובים בשנייה של הווקטור μ סביב הווקטור H) צריך להיות בלתי תלוי בזווית הכיוון (θ). אך על פי מכניקת הקוונטים, זווית האוריינטציה של חלקיק בודד יכולה להניח רק ערכים נפרדים מסוימים מכיוון שהתנופה הזוויתית של החלקיק חייבת להיות מכפיל אינטגרלי של יחידה בסיסית של המומנטום הזוויתי. מסיבה זו, חלקיק טעון מסתובב בשדה מגנטי תופס אחד מתוך קבוצה מוגבלת של מצבי אנרגיה מגנטיים נפרדים.

במכשירי תהודה מגנטית, שדה מתנדנד חלש (H ′) מונח על שדה קבוע חזק (H), כפי שמוצג באיור 1, והווקטור שלו מסתובב במהירות זוויתית (ω) במישור בניצב לכיוון של השדה החזק. אם קצב הסיבוב (ω) של השדה המועבר חלש שונה מתדר הלמורור (ω _L) של החלקיק הקודם, שני השדות המסתובבים יהיו מחוץ לשלב; הציר של החלקיק יימשך וירדף ברציפות על ידי השדה המסתובב המונח על גביו במהלך מהפכות שלמות ויתנודד רק במעט. כאשר הם מסונכרנים, לעומת זאת, כוח יציב יפעל על הציר. במצב זה, הנקרא תהודה, זווית האוריינטציה (ואיתו מצב האנרגיה המגנטית) של החלקיק תשתנה לפתע. כאשר מערכת מורמת למצב גבוה יותר, מופקת אנרגיה מהשדה המונח עליהם, ולהיפך. השימוש בשדה מתנודד לייצור תהודה נקרא לעיתים "נהיגה בתהודה".

כל ניסוי בתהודה מגנטית כרוך באיתור התהודה - כלומר, לוודא שהמעבר התרחש בפועל. תהודה מגנטית (MR) עושה שימוש בזיהוי אלקטרומגנטי, שבו האנרגיה המשוחררת או הנספגת במעבר היא בדיוק זו שנמדדת. בספקטרומטר MR (איור 2) כמות האנרגיה המופקת מהשדה המונח עליה נמדדת ונרשמת על גבי תרשים רצועות בעוד שתדירות השדה מגוונת לאט. הרשומה המתקבלת, או הספקטרום, היא בדרך כלל קו ישר - המצביע על כך שהדגימה אינה סופגת אנרגיה - שנשברה על ידי פסגות בתדרי התהודה. בתנאים ניסיוניים אופייניים הפסגות הללו כה צרות (מכיוון שההדהודים מכוונים בצורה חדה מאוד) עד שהן מופיעות כקווים בניצב לתווך השטוח המתקבל לאורך טווחי התדרים הלא מהווים התגובה. קווי ספקטרום תהודה מגנטיים אלה מה שמכונים רק באופן מקביל לקווי הקליטה והפליטה הנצפים בספקטרום האופטי. הפרשנות של MR בחומר בתפזורת מסובכת במידה ניכרת על ידי יחסי הספינים זה עם זה ועם דרגות אחרות של חופש המדגם. עם זאת, סיבוך זה מתגלה כנכס ולא כחיסרון לתהודה מגנטית, מכיוון שדווקא קיומם של יחסי הגומלין הללו הוא שהופך את MR לכלי כה מדהים לחקר החומר הכמויות.

בסוגים רבים של אטומים כל האלקטרונים משויכים זה לזה; כלומר, הספינים מכוונים בניגודים ולכן מנוטרלים, ואין תנופה זוויתית נטו או רגע מגנטי. במינים אחרים של אטומים ישנם אלקטרונים אחד או יותר שאינם מזווגים, ולכן יתכן שאחד מהאטומים הללו יוכל לרכוש או לאבד מכפילי אנרגיה שונים. אותה תופעה מתרחשת במינים רבים של גרעינים, כך שגרעינים יכולים לשכב במצבי אנרגיה מגנטית שונים.

עבור שדות מגנטיים בסדר גודל של כמה קילוגאוס (גאוס הוא יחידה בעוצמה מגנטית; העוצמה האופקית של השדה המגנטי של כדור הארץ היא בערך 0.2 גאוס) המשמשים בספקטרומטרי MR, תדרי ה- NMR נופלים לתדר הרדיו או לשידור השידור, ואילו תדרי ESR מתרחשים בתחום המיקרוגל או הרדאר. לדוגמא, תדר ה- NMR של הפרוטון בשדה של 10 קילוגאוס הוא 42.58 מגה-הרץ, ובאותו שדה תדר ה- ESR של ספין בחינם הוא 28,000 מגה-הרץ. מספר הספינים הניתנים לגילוי בתהודה מגנטית משתנה במידה רבה בשדה המיושם, הטמפרטורה, אופי המדגם, ועבור NMR המין הגרעיני; בתנאים הטובים ביותר, זה יכול להיות נמוך כמו 10 ¹⁸ ספינים עבור NMR ו- 10 ¹⁰ ספינים עבור ESR.