***2
•طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای
•بخش اول : مفهوم اولیه
رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)یک روش طیف سنجی است که برای شیمیدانان آلی از اهمیتی والا نسبت به طیف سنجی مادون قرمز برخوردار است . بسیاری از هسته ها را می توان با فنون NMR مطالعه کرد ، ولی هیدروژن و کربن بطور معمول مورد استفاده قرار می گیرند .
•رزونانس مغناطیسی هسته ای ما را از تعداد هر نوع هیدروژن مطلع می سازد . به علاوه این روش ، اطلاعاتی راجع به طبیعت محیط اطراف این گونه اتمهای هیدروژن به دست می دهد .
•
***3
•حالات اسپین هسته
•بسیاری از هسته های اتمها دارای خصلتی هستند که اسپین خوانده می شود : هسته ها به گونه ای رفتار می کنند که گویی در حال چرخش هستند . در حقیقت اتمهایی که عدد جرمی فرد ، عدد اتمی فرد یا هر دو را دارند ، دارای گشتاور زاویه اسپین کوانتایی و گشتاور مغناطیسی هستند . معمولیترین هسته هایی که دارای اسپین هستند ، عبارتند از
***5
•گشتاور مغناطیسی هسته
•در یک میدان مغناطیسی ، حالات اسپین انرژی یکسانی را نخواهند داشت ، زیرا یک هسته ذره ای باردار بوده و هر ذره باردار متحرک خود تولید میدان مغناطیسی می کند . بنابراین ، یک هسته دارای گشتاور مغناطیسی ( ) است که به وسیله بار و اسپین آن تولید می شود . یک هسته هیدروژن می تواند اسپینی موافق جهت عقربه های ساعت (2/1+)یا مخالف جهت عقربه های ساعت (2/1-)داشته باشد و در این دو حالت ̦گشتاورهای مغناطیسی خود را یا در جهت میدان و یا در خلاف جهت آن قرار می دهند(شکل 1) .
•
***7
•پدیده رزونانس مغناطیسی هسته ای هنگامی رخ می دهد که هسته های هم جهت میدان اعمالی شده انرژی جذب کرده و جهت اسپین خود را نسبت به آن تغییر دهند (شکل 3) .
•جذب انرژی ̦ یک فرآیند کوانتایی بوده و انرژی جذب شده برابر اختلاف انرژی انرژی بین دو حالت موجود است :
***9
•
•میزان اختلاف ترازهای انرژی بستگی به نوع هسته دارد . هر هسته دارای نسبت گشتاور مغناطیسی به گشتاور زاویه ای ویژه ای است ، زیرا هر هسته دارای جرم و بار متفاوتی است . این نسبت را نسبت گردش مغناطیسی ( ) گویند که برای هر هسته مقدار ثابتی است و تابعیت انرژی از میدان مغناطیسی را تعیین می کند :
•چون گشتاور زاویه ای هسته بر حسب واحدهای کوانتایی شده پس معادله به صورت زیر در می آید :
•و مقدار فرکانس انرژی جذب شده :
***10
•مکانیسم جذب (رزونانس)
•در یک میدان مغناطیسی اعمال شده ، پروتونها شروع به حرکت تقویمی و جذب انرژی می کنند . این پدیده شبیه به آن چیزی است که در یک فرفره مشاهده می شود . بر اثر تاثیر میدان جاذبه زمین ، فرفره شروع به لرزش یا چرخش حول محور خود می کند .
•یک هسته چرخنده نیز تحت تاثیر میدان مغناطیسی اعمال شده ̦ همان گونه عمل می کند .هنگامی که میدان مغناطیسی به کار افتد ̦ آن هسته شروع به چرخش حول محور اسپین خود می کند که دارای فرکانس زاویه ای (فرکانس لارمور ) است .
***11
•این فرکانس مستقیما متناسب با قدرت میدان مغناطیسی اعمال شده است . با ایجاد چنین فرکانسی ، دو میدان جفت شده و انرژی تابش ورودی به هسته منتقل می گردد و موجب تغییر اسپین می شود . این عمل رزونانس نامیده می شود .
***12
نسبت بولتزمن اسپینهای هسته ای در سطوح فوقانی و زیرین را می توان از معادله زیر به دست آورد :
•مثلا برای دستگاهی که در 60MHz کار می کند و در دمای 298K ، تعداد هسته های موجود در حالت اسپینی پایینتر 1,000,009 هسته و تعداد هسته هایی که حالت اسپینی بالاتر را اشغال نموده اند 1,000,000 هسته هستند :
***13
•هسته های مازاد آنهایی هستند که اجازه مشاهده رزونانس را می دهند . هنگامیکه جمعیت هر دو تراز برابر گردد , در آن صورت حالت اشباع شدگی رخ داده و رزونانسی مشاهده نمی شود . اشباع شدگی هنگامی بسرعت رخ می دهد که قدرت سیگنال RF بسیار زیاد باشد . با افزایش فرکانس دستگاه , اختلاف انرژی بین دو حالت فزونی یافته , و در نتیجه جمعیت مازاد افزایش می یابد .
تغییرات مازاد هسته های H با فرکانس دستگاه
***14
•تغییر مکان شیمیایی و اثر مانع
•اهمیت رزونانس مغناطیسی هسته ای از آن جا آشکار می شود که در یک مولکول ، تمام پروتون ها در یک فرکانس رزونانس نمی کنند . این بدین دلیل است که پروتون های مولکول توسط الکترونها احاطه شده و محیط الکترونی هر یک از پروتونها بطور جزیی با دیگر پروتونها فرق می کند . به عبارت دیگر ، پروتونها توسط الکترونهایی که آنها را احاطه کرده اند پوشیده یا محافظت می شوند . در یک میدان معناطیسی ، الکترونهای ظرفیتی پروتونها می چرخند . این چرخش که جریان دیامغناطیس محلی خوانده می شود ، تولید میدان مغناطیسی متضادی می کند که در جهت مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده عمل می نماید . این اثر که مانع دیامغناطیسی یا آنیزوتروپی دیا مغناطیسی نامیده میشود.
***15
•در یک اتم ، جریان مغناطیسی محلی تولید یک میدان مغناطیسی ثانویه می نماید که دارای جهتی مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده است . در نتیجه آنیزوتروپی دیا مغناطیس ، پروتون در مولکول بسته به دانسیته الکترونی اطراف آن از جانب میدان مغناطیسی اعمال شده محافظت می شود . هر قدر دانسیته الکترونی اطراف یک هسته بیشتر باشد میدان مغناطیسی تولید شده توسط الکترونها ، که در جهت عکس میدان اعمال شده است ، بیشتر خواهد بود .