Задание 1, страница 213 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 1

Рассмотрите схему установки для ЯМР. Поясните принцип его действия.

Задание 1

Принцип действия установки для ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на свойстве некоторых атомных ядер, обладающих спином (собственным моментом импульса), вести себя как маленькие магниты. Когда вещество с такими ядрами помещается в сильное внешнее магнитное поле, эти ядерные магниты выстраиваются определенным образом, создавая два энергетических уровня. Принцип работы ЯМР-спектрометра заключается в возбуждении этих ядер и регистрации сигнала при их возвращении в исходное состояние.

Процесс можно разбить на следующие этапы:

1. Создание поляризации. Образец помещается внутрь мощного сверхпроводящего магнита, который создает сильное, постоянное и очень однородное магнитное поле $B_0$. Под действием этого поля спины ядер ориентируются либо по направлению поля (состояние с более низкой энергией, $ \alpha $), либо против него (состояние с более высокой энергией, $ \beta $). При этом возникает небольшое, но измеримое превышение числа ядер в низкоэнергетическом состоянии. Разница энергий между состояниями $ \Delta E $ прямо пропорциональна силе магнитного поля $ B_0 $: $ \Delta E = \gamma \hbar B_0 $, где $ \gamma $ — гиромагнитное отношение (постоянная для данного типа ядра), а $ \hbar $ — приведенная постоянная Планка.

2. Возбуждение. На образец подается короткий импульс электромагнитного излучения в радиочастотном (РЧ) диапазоне. Если частота этого импульса $ \nu $ соответствует разнице энергий $ \Delta E $, происходит явление резонанса. Условие резонанса описывается уравнением Лармора: $ \nu = \frac{\gamma B_0}{2\pi} $. При резонансе ядра на нижнем энергетическом уровне поглощают квант энергии и переходят на верхний уровень, то есть "переворачивают" свой спин.

3. Регистрация сигнала (Релаксация). После окончания РЧ-импульса система стремится вернуться в равновесное состояние. Возбужденные ядра возвращаются на нижний энергетический уровень, излучая при этом поглощенную энергию в виде слабого радиосигнала. Этот процесс называется релаксацией. Излучаемый сигнал, имеющий форму затухающей синусоиды, называется сигналом свободной индукции (ССИ, или FID - Free Induction Decay). Этот сигнал улавливается высокочувствительной приемной катушкой, расположенной вокруг образца.

4. Обработка данных. Сигнал свободной индукции — это сложная функция интенсивности сигнала от времени. Чтобы получить понятный спектр, этот временной сигнал преобразуется в частотный с помощью математической процедуры — преобразования Фурье. В результате получается ЯМР-спектр, который представляет собой график зависимости интенсивности сигнала от частоты. Каждому типу ядра в уникальном химическом окружении в молекуле соответствует пик на определенной частоте (химический сдвиг), что позволяет определять структуру молекулы.

Таким образом, основными компонентами ЯМР-спектрометра являются: мощный магнит, датчик с передающей и приемной катушками, генератор радиочастотных импульсов, приемник для усиления слабого сигнала и компьютер для управления экспериментом и обработки данных.

Ответ: Принцип действия ЯМР основан на явлении резонансного поглощения энергии радиочастотных импульсов атомными ядрами, обладающими спином и помещенными в сильное постоянное магнитное поле. При совпадении частоты импульса с частотой перехода между энергетическими уровнями ядер происходит поглощение энергии. После окончания импульса ядра релаксируют, возвращаясь в исходное состояние и излучая при этом сигнал. Этот сигнал регистрируется и после математической обработки (преобразования Фурье) представляется в виде ЯМР-спектра, который используется для определения структуры и свойств молекул.