Yadro magnit rezonansi (ymr) usulining nazariy asoslari

7-MA’RUZA
Yadro magnit rezonansi (YMR) usulining nazariy asoslari.
Tayanch so’zlar: magnit maydoni, yadro spin kvant, YMR, nuklonlar, nurlanish, generator, organik moddalar, energetik pog’onalar, maydon kuchlanishi.
Yadro magnit rezonans usulini 1946-yilda Parsell va Blox bir-biridan xabarsiz holda yaratdilar va shundan so’ng kinyo fanida qo’llana boshladi. Malumki, har qaysi yadro spin kvant soni bir bilan tavsiflanadi va bu spinlar 0,1/2,1, 3/2,2……… qiymatga ega bo’ladi. Agar yadroda nuklonlar soni juft bo’lsa - (C¹², O¹⁶ ) umumiy spin kvant soni nolga teng bo’ladi. Agar ularning soni toq bo’lsa (F¹⁹, C¹³) umumiy spin kvant soni +1/2 yoki -1/2 qiymatga ega bo’ladi. Umumiy spin kvant soni nolga teng bo’lgan yadro magnit maydonda bir energetik holatda bo’ladi (2·0 + 1). Bunday yadrolar YMR-spektroskopiya uchun obyekt bo’la olmaydi. Yadroning spini ½ (H¹, C¹³, F¹⁹, P³¹) bo’lsa,yadro tashqi magnit maydonida 2 ta energetik holatda turadi.
Shunga qarab yadroda musbat zaryad xam turlicha taqsimlanadi. Zaryadli yadro o’z o’qida aylanganda magnit momentiga ega bo’ladi. Bunday yadrolarning xossalarini YMR usulida tekshirish mumkin. Yadroga radio nurlanish berilganda energiya yutilib , bir magnit-energiya darajadan ikkinchi magnit-energiya darajaga o’tadi. Bor qoidasiga asosan birinchi holatdan ikkinchi holatga o’tish uchun :
ΔE = hv = M·g·H (17)
Energiya talab qilinadi. Bu yerda H-maydon kuchlanishi, M-Bor magnetoni, g-ajralishning spektroskopik omili.
Shunday qilib, moddalarni yadromagnit rezonanas usulida tekshirishda tekshirilayotgan moddaga kuchli magnit maydoniga tik ravishda klistron (generator) yordamida ma’lum takrorlikda radio to’lqin beriladi. Yuqoridagi tenglamaga muvofiq,
ν=M·gH/h (18)
H – ning ma’lum qiymatida tenglamaning o’ng tomoni ν ga teng bo’ladi, yani tenglama hsarti bajariladi. Bunda magnitlangan modda tomonidan radioto’lqin (energiya) yutiladi. BU xol shkalada maksimumlar shaklida hamoyon bo’ladi. Shkalada τ birligida belgilanib, 1 dan to 10 gacha bo’lingan bo’ladi. Shkalaning uzunligi maydon deb xisoblansa, 1 dan to 5 gacha bo’lgan masofa kuchsiz va 5 dan 10 gacha bo’lgan masofa kuchli maydon deb yuritiladi. Kuchsiz maydonda gidroksil – OH, karboksil – COOH, aldegid R-COOH, benzol C₆H₆, suv H₂O dagi protonlar aks etadi. Kuchli maydonda esa metin – CH, metilen – C₂H va metil C₂H protonlari aks etadi. Shu bilan birga protonlarga molekuladagi qo’shni protonlar va boshqa funktsional guruxlar ta’sir etadi, natijada shkalada protonlarning ko’rinishi har xil bo’ladi. Masalan ajratilgan metilgurux bo’lsa, uning uchta protoni shkalada bitta cho’qqili uch protonga teng bo’lgan singletga ega bo’ladi. Agar metil guruxning yonidagi uglerodda bitta proton bo’lsa uning ta’sirida ikkita cho’qqili uch protonga teng bo’lgan dublet hosil bo’ladi. Shunday qilib, YMR usuli molekuladagi vodorod atomlarining conini va qanday holatda joylashganini yaqqol ko’rsatib, birikmaning tuzilishini aniqlashda kata yordam beradi.
Har qanday mikrozarracha (electron, proton, neytron va xokazo) spinga ega. Spinni zarrachaning o’z o’qi atrofida harakat qilishi deb qarash mumkin. Juft sonli massa va zaryadga ega yadrolar ₆¹²C, ₈¹⁶C uchunspin kvant soni (J) nolga teng. Juft sondagi massaga va toq sondagi zaryadga ega bo’lgan yadro (₇¹⁴N), ₁²H (deyteriy) lar soniga ega bo’lib J = 1 dir. Toq massa va toq zaryadi yadrolarning spini kasr sonlarga muvofiq keladi. Masalan,
J = 1/2(₁¹H, ¹⁹F, ¹³C, ³¹P); J = 3/2(¹¹B, ³⁵Cl, ⁷⁹Br, ⁸¹Br);
J = 5/2(J⁷O, ¹²⁷I)

Bulardan yadro magnit rezonansi (YMR) – spektroskopiya uchun eng axamiyatlisi ₁¹H (proton) dir, chunki barcha neft va gazdan olingan organic moddalar o’z tarkibida vodorod tutadi. Vodorod atomi yadrosi (proton) zaryadi bo’lgani uchun o’z o’qi atrofida harakat qilganda magnit maydoni hosil qiladi. Ma’lumki, bu harakatlanayotgan har qanday zaryadli zarracha uchun xosdir. Masalan, o’tkazgich bo’ylab elektr toki (ionlar va elektronlar) o’tganda uning atrofida magnit maydon (solenoid) hosil bo’ladi. Shunday ekan, protonni o’z maydoniga ega bo’lgan “mitti” magnit deyish mumkin. Spinga ega bo’lgan biror zarracha kuchlanganligi H₀ bo’lgan magnit maydoniga kiritilsa, o’zaro ta’sirlashish natijasida zarracha muayyan holatlarni oladi. Bu holatlar spin kvant soni J bilan bog’lanishda bo’ladi. Masalan,

J = 1/2 bo’lgan proton uchun 2·1/2 bo’ladi, proton magnit maydonida ikki holatda bo’shi mumkin. Boshqacha aytganda, proton hosil qiladigan magnit maydonining kuch chiziqlari tashqi maydon (H₀) kuch chiziqlari bilan bir tomonga qarab yoki unga qarama-qarshi yo’nalgan bo’lishi mumkin.
Bitta proton qanday qilib ikki xil yo’nalishga ega maydon hosil qilishini quyidagicha tushuntirish mumkin. Agar 1 gr miqdorida vodorod ioni olinsa, unda 6,3·10²³ dona proton bo’ladi. Magnit maydonida ana shu miqdor protonning bir qismi hosil bo’lgan maydon (H₀) bilan bir xil bo’lib uni kuchaytiradi, qolgan qisminiki esa tashqi maydonga qarama-qarshi bo’ladi, yani tashqi maydonini susaytiradi. Boshqacha aytganda, spinlar maydon bo’ylab va teskari yo’nalishda joylashadi. Asosiy maydon (H₀) ni kuchaytiradigan yadrolar energiyasi uni susaytiradigan yadrolar energiyasidan kichik bo’ladi. Odatda bu holmyadrolarning energetic pog’nalari magnit maydoniga ikkiga ajralishi deyiladi.
Shunday qilib, yadrolarning bir qismi pastki pog’onada, qolgan qismi esa energiyasi ko’proq bo’lga yuqori pog’nada joylanadi. Pog’onalar energiyalarining farqi ΔE ga teng. Tabiiyki, pastki pog’ona energiyasi kichik bo’lgani uchun unda yuqori pog’onaga nisbatan ko’proq yadrolar joylashadi.
·1000010
Boshqacha aytganda, hosil bo’lga maydonlari yo’nalishi tashqi maydon (H₀) yo’nalishi bilan bir xil bo’ladigan yadrolar nisbatan ko’proq bo’ladi. Lekin bu farq uncha kata emas. Odatdagi haroratlarda yuqori va quyi pog’onalar zichligidagi farq umumiy yadrolarning 0,00001 qismidan oshmaydi. Masalan, yuqori pog’onada 1000000 yadro bo’lib, quyi pog’onada yadro, ya’nio’ntagina yadro ortiq bo’ladi, xolos.
Pog’onlardagi yadrolar zichligidagi bu farqning kam bo’lishiga sabab, yuqori va quyi pog’onalar energiyalaridagi farq (ΔE) ning kichikligidir. Yadro magnit rezonansi usulining mohiyatini mana bunday ifodalash mumkin: Har ikkala pog’onadagi yadrolarni tenglashtirish uchun tashqaridan energiya beriladi. Bunda pastki pog’onadagi yadrolar yuqori pog’onaga ko’chibo’tadi. Boshqacha aytganda, yadrolar spini teskarisiga o’zgaradi. Endi asosiy maydon (H₀) yo’nalishiga qarama-qarshi maydon hosil qiluvchi yadrolar soni ortadi. O’tadigan yadrolar soni kam bo’lgani, pog’onalar energiyalari o’rtasidagi farq (ΔE) kichik bo’lgani uchun bu o’tishni energiyasi kan=m bo’lgan (to’lqin uzunligi kata, chastotasi kichik) radio to’lqinlar yordamida amalga oshirish mumkin.
Lekin ana shu kichik miqdor, energiya (ΔE) moddaning radio chastotali to’lqin yutishi va uni kuzatish uchun kifoya. Pog’onalar energiyalarining farqi tashqi maydonning kuchlanganligiga to’g’ri proportsionaldir.