Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Февраля 2015 в 15:46, курсовая работа
Егер элетр-магниттік энергияны жұту процесі ядролар арқылы жүзеге асса, онда Магниттік резонанс ядролық магниттік резонанс (ЯМР) деп аталады. Парамагнит атомындағы қосарланбаған электрондардың магнит моменті нәтижесінде пайда болатын Магниттік резонансты электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) деп атайды. Магнит реттелген заттардағы электрондық Магниттік резонанс ферромагнит және антиферромагнит Магниттік резонанс деп аталады.
Кіріспе...........................................................................................................3-4
1. НЕГІЗГІ БӨЛІМ
1.1 ЯМР спектроскопиясы...............................................................................5
1.2 Ядролық магниттік резонанс ..............................................................5-13
1.3 ЯМР құбылысының физикалық қасиеттері........................................13-15
1.4 Релакция және сызықтық ені...............................................................15-16
1.5 Химиялық ығысулар..........................................................................16-18
1.6 ЯМР сигналының аса жіңішке құрылымы..........................................19-22
1.7 ЯМР спектроскопиясының техникасы және тәжірибелік
әдістемелері ..............................................................................................22-25
1.8ЯМР әдісін қолдану..............................................................................25-28
Қорытынды............................................................................................................29
Пайдаланған әдебиеттер тізімі.............................................................................30
Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым Министрлігі
Ш.Ш.Уәлиханов атындағы Көкшетау мемлекеттік университеті
Жаратылыстану-ғылымтану
Химия және Биотехнология кафедрасы
КУРСТЫҚ ЖҰМЫС
Пәні: Химиядағы физикалық зерттеу әдістері
Тақырыбы: «ЯМР негізінің әдісі»
студенті:
Көкшетау 2014ж
Мазмұны
Кіріспе.......................
1. НЕГІЗГІ БӨЛІМ
1.2 Ядролық магниттік резонанс
..............................
1.3 ЯМР құбылысының физикалық
қасиеттері....................
1.4 Релакция және сызықтық
ені...........................
1.5 Химиялық ығысулар......................
1.6 ЯМР сигналының аса жіңішке
құрылымы......................
1.7 ЯМР спектроскопиясының техникасы және тәжірибелік
әдістемелері ..............................
1.8ЯМР әдісін қолдану.......................
Қорытынды.....................
Пайдаланған әдебиеттер тізімі........................
Кіріспе
Магнит резонансты әдістер көмегімен зат және сәуленің магнит компонентасының әрекеттесуін зерттейді. Оларға радиоспектроскопияның екі әдісі жатады - ядролық магниттік резонанас (ЯМР) және электрондық магниттік резонанас (ЭПР). Осындай спектрлердегі ауысуларға сәйкес келетін энергия айырымы өте кіші (жиіліктері 40 МГц-тен 10000 МГц-ке дейінгі радиодиапазонында жатады) Демек, бұл әдістердің айыру қабілеті және сипаттаушы уақыттары жоғары, бірақ сезімталдықтары төмен. Бұдан баска, әрекеттесулерге катысатын энергия деңгейлері меншікті емес, себебі олар тек сыртқы магнит өрісінде пайда болады, бұл деңгейлер бөлшектердің химиялық құрылысына тәуелді.
Магнит резонанасты әдістердің физикалық негіздерін тұрақты магнит моменті бар бөлшектер (атомдар, молекулалар, иондар) кіретін жүйемен айнымалы электромагнит өрісінің энергиясын резонанасты жұту құрайды. Мүндай бөлшектер парамагнитті бөлшектер деп аталады. Эффект жүйенің сыртқы магнит өрісіндегі энергия деңгейлерінің азғындауы жойылғандықтан болатын бөлшектердің магнит моменттерінің кеңістікте әртүрлі бағытталу нәтижесінде байқалады. Бөлінген деңгейлер арасында (Зееман деңгейлері) жұтудан пайда болатын ауысулар басталады.
Егер ауысулар атом ядроларының магнит моменттерімен байланысты деңгейлер арасында жүретін болса, құбылыс ЯМР деп аталады. Ауысулар электрондардың магнит моменттерінің әр түрлі бағытталуымен байланысты деңгейлеріне негізделген болса, құбылыс ЭПР деп аталады.
Электрондардың магнит моменттері ядролардікінен бірнеше ондық ретке үлкен, осы себептен ЭПР сигналы ЯМР сигналынан интенсивті. Бірақ атомдардың электрон қабықшаларының толықтырылған жагдайында электрондардың магниттік және механикалык моменттері компенсацияланады. Демек, электрондардың магнит моменттерімен байланысты резонанасты құбылыстар тек жұптаспаған электрондары бар бөлшектерде байқалуы мүмкін.
Магниттік резонанс — зат бөлшектерінің (электрондардың, атом ядроларының) магниттік моменттері бағдарларының өзгеруіне байланысты заттың белгілі бір жиіліктегі электрмагниттік толқындарды таңдап жұтуы. Магниттік моменті бар бөлшектің энергетикалық деңгейлері сыртқы магнит өрісінде (Н) магниттік қосалқы деңгейлерге жіктеледі; олардың әрқайсысына магнит өрісіне (Н) қатысты магнит моменттің белгілі бір бағдары сәйкес келеді (Зееман эффектісі). Резонанстық жиіліктегі электр-магниттік өріс қосалқы магнит деңгейлер арасында кванттық ауысу туғызады.
Спектроскопия– физиканың электрмагниттік сәуле шығару спектрлерін зерттейтін саласы. Спектроскопия әдістері бойынша атом, молекула энергия деңгейлерін және олардан құралған макроскопиялық жүйелерді, энергия деңгейлерінің арасындағы кванттық ауысуларды анықтайды. Спектроскопияның негізгі қолданылатын маңызды салалары – спектрлік талдау және астрофизика. Спектроскопияның негізгі даму кезеңдері – 19 ғасырдың басында Күн спектріндегі жұтылу сызықтарын ашу мен зерттеу, шығару және жұтылу спектрлеріндегі байланыс орнату (Г.Р. Кирхгоф, 1859) мен оның негізінде спектрлік талдаудың пайда болуымен басталды. Спектроскопия көмегімен ең алғаш астрономиялық нысандардың – Күн, жұлдыз, тұмандықтардың құрамы анықталды. 19 ғасырдың 2-жартысы – 20 ғасырдың бас кезінде спектроскопия эмпириялық ғылым ретінде дами берді, орасан зор тәжірибелік материал жинақталды, спектрлік сызықтар мен жолақтардың орналасу заңдылықтары ашылды. 1913 жылы Н.Бор бұл заңдылықтарды кванттық теория негізінде түсіндірді. Спектроскопия әр түрлі белгілеріне байланысты жеке салаларға бөлінеді. Электрмагниттік толқындардың ұзындық (немесе жиілік) диапазоны бойынша спектроскопия: радиоспектроскопия, субмиллиметрлік, қысқа толқынды, оптикалық, ультракүлгін, рентгендік болып бөлінеді.
Егер элетр-магниттік энергияны жұту процесі ядролар арқылы жүзеге асса, онда Магниттік резонанс ядролық магниттік резонанс (ЯМР) деп аталады. Парамагнит атомындағы қосарланбаған электрондардың магнит моменті нәтижесінде пайда болатын Магниттік резонансты электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) деп атайды. Магнит реттелген заттардағы электрондық Магниттік резонанс ферромагнит және антиферромагнит Магниттік резонанс деп аталады. Әдетте, қолданылатын магнит өрістерде (~103—104) ЯМР-дың жиіліктері қысқа радиотолқындар диапазонына (106–107Гц), ал ЭПР жиіліктері аса жоғары жиілік диапазонына (109 — 1010Гц) орналасады. Магниттік резонанстың спектрлері затта әсер ететін әр түрлі ішкі өрістерге сезімтал келеді. Сондықтан Магниттік резонанс қатты денелердің және сұйықтықтардың құрылымын, атом және молекулалық динамиканы, т.б. зерттеу үшін қолданылады.
1.1 ЯМР спектроскопиясы
Спектроскопия(лат spectrum – бейне, көрсету және грек. skopeo – көремін) – электрмагниттік толқындар спектрін зерттеуге арналған физиканың саласы.
Спектроскопия– физиканың электрмагниттік сәуле шығару спектрлерін зерттейтін саласы. Спектроскопия әдістері бойынша атом, молекула энергия деңгейлерін және олардан құралған макроскопиялық жүйелерді, энергия деңгейлерінің арасындағы кванттық ауысуларды анықтайды. Спектроскопияның негізгі қолданылатын маңызды салалары – спектрлік талдау және астрофизика. Спектроскопияның негізгі даму кезеңдері – 19 ғасырдың басында Күн спектріндегі жұтылу сызықтарын ашу мен зерттеу, шығару және жұтылу спектрлеріндегі байланыс орнату (Г.Р. Кирхгоф, 1859) мен оның негізінде спектрлік талдаудың пайда болуымен басталды. Спектроскопия көмегімен ең алғаш астрономиялық нысандардың – Күн, жұлдыз, тұмандықтардың құрамы анықталды. 19 ғасырдың 2-жартысы – 20 ғасырдың бас кезінде спектроскопия эмпириялық ғылым ретінде дами берді, орасан зор тәжірибелік материал жинақталды, спектрлік сызықтар мен жолақтардың орналасу заңдылықтары ашылды. 1913 жылы Н.Бор бұл заңдылықтарды кванттық теория негізінде түсіндірді. Спектроскопия әр түрлі белгілеріне байланысты жеке салаларға бөлінеді. Электрмагниттік толқындардың ұзындық (немесе жиілік) диапазоны бойынша спектроскопия: радиоспектроскопия, субмиллиметрлік, қысқа толқынды, оптикалық, ультракүлгін, рентгендік болып бөлінеді.
1.2 Ядролық магниттік резонанс
Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) – қатты, сұйық және газ тәріздес денелерде радиожиілік диапазонындағы электрмагниттік энергияның резонанстық жұтылуы. Мұндай резонанстық жұтылу құбылысы сыртқы магнит өрісіне орналасқан зат ядроларының магнетизміне байланысты пайда болды. Бұл құбылыстың резонанстық сипаты қозғалыс мөлшерінің моменті мен магниттік моменті бар ядролардың қасиетіне сәйкес анықталады. Мұндай ядроның сыртқы магнит өрісімен (Н0) әсерлесуі меншікті, яғни пресцессия жиілігін (ω0) анықтайды: ω0=γН0, мұндай γ – гиромагниттік қатынас, яғни ядроның магниттік моментінің оның қозғалыс мөлшері моментіне қатынасы. Тәжірибеден негізінен осы меншікті жиіліктің мәні анықталады. Көптеген ядролар үшін бұл жиілік 1 – 10 МГц аралығында. Сыртқы магнит өрісі болмаған кезде ядролардың магниттелушілігі әлсіз (электрондық парамагнетизмнен 106 – 108 есе кем) болады. Резонанстық жиіліктегі радиожиіліктік өріс ядролардың айналуы бағытын өзгертеді, яғни ядролық магниттелушіліктің прецесс. қозғалысын тудырады. Бұл қозғалыс зерттелмекші затты қоршаған индуктивтілік орамада пайда болатын индукциялық ЭІК арқылы анықталады. ЯМР ядролардың магниттік моментін өлшеуге, заттың магниттік құрылымын зерттеуге, химиялық анализде т.б. кеңінен пайдаланылады.
μ магниттік моментке және қозғалыс мөлшері моментіге ие ядроны қарастырайық. Бұл моменттер параллель, сондықтан оларды келесі түрде жазуға болады:
(1)
мұндағы, магнитомеханикалық қатынас – тұрақты шама. I арқылы бірліктерінде өлшенген қозғалыс мөлшерінің ядролық моментін белгілеу негізіне алынған. μ магниттік момент пен Ва сыртқы магниттік өрістің әсерлесу энергиясы:
Егер де өріс z осі байынша бағытталған болса, яғни: , онда
(3)
Iz рұқсат етілген мәндері : ,демек, энергияның рұқсат етілген мәндері:
2 сурет. I=1/2 спинді
ядролардың B0 тұрақты магниті
өрісіндегі энергетикалық
I=1/2 болатын магнит өрісінде
жататын ядро, -ге сәйкес келетін
екі энергетикалық деңгейде
(4)
Бұл қатынас магниттік резонансты жұтылудың негізгі шарты болып келеді.
Протон жағдайында (протонның магниттік моменті және ).
демек, жиілік үшін :
(4а)
Бір тесла 104 Гс-ке тең. Электрон спині үшін:
(4б)
Магниттік резонанс құбылыстары үшін элемент ядролар туралы ақпараттар 1 кестеде келтірілген.
Қозғалыс теңдеулері.
Уақыт өткен сайын жүйенің қозғалыс мөлшерінің өзгеруі жүйеге әсер ететін бұрыштық моментке тең екені белгілі.В Магнит өрісінен μ магниттік моментке әсер ететін механикалық момент векторлық көбейтіндіге тең. Онда, момент үшін («гироскопиялық теңдеу») қозғалыс теңдеуін келесі түрде жазуға болады:
(5)
Немесе
(6)
М ядролық магниттелу көлем бірілігінде барлық ядролар бойынша сома ретінде анықталады. Егер де бір изотопты ядролар қарастырылса және олар тек өріспен әсерлескенде,онда γ коэффициенті барлық ядролар үшін бірдей және (6) теңдеуді М үшін жазуға болады:
(7)
Ядролар жүйесін z осі бойымен бағытталған магниттік өріске енгіземіз, яғни . Т температурада жылулық тепе-теңдік кезінде М магниттелу компоненттері үшін:
(8)
Мұндағы - Кюри тұрақтысы, (15.14) тұрақтының анықтауы бойынша. I=1/2 –мен спиндер жүйесінің магниттелуі 1 және 2 деңгейлердің N1-N2 айырмашылығымен анықталады. Толтыру қатынасы жылулық тепе-теңдіктегі Больцман үлестіруімен беріледі:
(9)
1 және 2 күйлердегі энергиялар айырмасы -ға тең болғандықтан, тепе-теңдік кезіндегі магниттелу шамасы формуласымен анықталады, , мұндағы, бірақ та, μ –ядролық магнит моменті.
3 сурет. а) Магниттелудің уақыт өткен сайын өрістің қосқан кездегі өзгеруі. t=0 уақыт кезіндегі Mz(0)=0 -мен магниттелмеген үлгі В0 магнит өріске енгізіледі. Магниттелу уақыт сайын өседі және жаңа тепе-теңдіктің жаңа мәніне жетеді . Бұл эксперимент Т1 шамасын- бойлық релаксацияның уақытын анықтайды. б) Уақыт өткен сайын жүйенің магнитті энергияның өзгеруі. а суретімен байланысқан экспериментте, магниттік энергияның тығыздығы төменгі деңгейдің спиндік толтырылуы жоғарылаған сайын төмендейді. кезінде жететін асимптотикалық мән -ға тең. Энергия спин жүйесінен тордың тербелістер жүйесіне өтеді, сол себепті Т1 релаксация уақытын спин-торды релаксацияның уақыты деп атайды.
Егер шамасы тепе-теңсіз күйге қатысты болса, онда біз оның тепе-теңдік күйге -тің тепе-теңдік мәнінен ығысуға пропорционалды «жылдамдықпен» жақындасын делік:
(10)
Осы теңдеуде енгізілген шамасы бойлық релаксацияның уақыты немес спин-толқынды релаксацияның уақыты деп аталады.
Егер де t=0 алғашқы уақытта магниттелмеген үлгі магниттік өріске енгізілген болса, онда оның магниттелуі алғашқы нөлдік мәнінен соңғы мәнге дейін өседі. (10) теңдеуді интегралдасақ:
(11)
немесе
(12)
Алынған тәуелділік 3а суретте график арқылы бейнеленеді. магниттік энергия -нің жаңа тепе-теңдік мәнге жақындаған сайын төмендейді. 4 суретте магниттелу өзінің тепе-теңдік мәнге жақындалуы болатын процесстер схемалы түрде көрсетілген.
Кристаллда парамагнитті иондардың спинді-торды әсерлесу құбылысының мәні ішкі кристал электр өрісі фонондармен модуляциялаумен байланысты. Релаксация негізінен үш процесстермен іске асырылады(4б.сурет):1) түзу(фонондарды шашырау мен жұту); 2) раманов(фононның шашырауы); 3) обрахов(қосымша үшінші деңгей қатысуымен шашырау). Кейбір сирек жер элементтерінің тұздарының спин- торды релаксацияның пысықтауыш- анализі гелийлік температура тұсында Скотт және Джеффрис жұмысында жасалынған. Олар, жеке түрде, жоғарыда көрсетілген барлық процесстер үшін дәлел келтірген және парамагнитті релаксация үшін пайдала әдебиеттер тізімін келтірген. Мысал ретінде, 5 суретте жұмыстың бір нәтижесі көрсетілген.
4а.сурет. Металл және
диэлектриктегі магниттелудің