Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Современные методы ядерного магнитного резонанса стали более эффективными: теперь не нужно изменять частоту излучения или силу внешнего магнитного поля. Действие на образец радиочастотного поля (приводящего к резонансному переходу ядра между двумя состояниями) ограничено конечным промежутком времени: это называется радиочастотным импульсом. После действия импульса поле остается постоянным и равным B . Ядерные магнитные моменты, которые до импульса были либо параллельны полю, либо направлены противоположно, импульсом выводятся из равновесия и начинают вращаться с равномерной скоростью (илл. 6). Такое вращение вокруг направления поля, называемое «прецессией Лармора» (см. врезку «Несколько слов о прецессии»), порождает электрический сигнал, который можно обнаружить. Обычно для прекращения импульса использующий катушку для возбуждения магнитных моментов радиочастотный генератор резко выключают. Затем мгновенно приводят в действие радиочастотный приемник, который использует ту же катушку, но уже для записи сигнала, связанного с прецессией ядер. Этот сигнал, обусловленный электродвижущей силой, индуцируемой «свободной» прецессией ядер, называется FID (аббревиатура от Free Induction Decay – «убывание свободной индукции») (илл. 7). Затем сигнал обрабатывается компьютером и на его основании восстанавливается ЯМР-спектр. Таким образом, та же информация, что и при анализе поглощения излучения в зависимости от частоты или интенсивности магнитного поля, может быть получена гораздо быстрее.

7. Сигнал свободной прецессии ядер в зависимости от времени. Y -компонента µ y ядерного магнитного момента вращается с частотой ν 0 (определяемой формулой hν 0 = 2Bµ). Интенсивность сигнала постепенно ослабевает из-за явления релаксации. Метод FID обычно измеряет огибающую этого сигнала, как это показано на рисунке (красный пунктир)

ЯМР служит не только химикам, но еще и ценителям хорошего вина! С его помощью можно определять происхождение вина – такой метод называется SNIF. Предполагалось, что эта аббревиатура расшифровывается как Specific Natural Isotope Fraction (конкретная доля природных изотопов), но в переводе с английского to sniff означает «нюхать». ЯМР позволяет в некотором роде «понюхать» вино.

Метод SNIF был изобретен химиками Жераром и Маривонн Мартен в Нанте в 1980-х годах, первоначально с целью определения того, добавляли ли в вино сахар (см. главу 14). Кроме того, этот метод дает информацию о географическом происхождении этанола! В самом деле, в разных регионах процессы фотосинтеза и метаболизма для водорода 1H и его изотопа дейтерия 2H протекают по-разному, о чем и позволяет судить конкретный спектр ЯМР. Магнитный момент дейтерия меньше, чем у водорода, поэтому химические сдвиги их ЯМР-сигналов отличаются. Измеряя интенсивность сигналов, вычисляют дозу дейтерия, сравнивают ее с имеющейся картой распределения дейтерия по винодельческим районам и таким образом получают представление о происхождении вина. В природе доля дейтерия очень мала и измеряется в миллионных частях (ppm). Так, она составляет 90 ppm на Южном полюсе и в среднем 160 ppm на экваторе. Отметим, что на Венере она составляет 16 000 промилле, то есть водород там содержит 1,6 % дейтерия.

На происхождение вина указывает еще один фактор – это локализация дейтерия в различных группах. Молекула этанола CH 3 –CH 2 –OH может превратиться в CH 2 D – CH 2 –OH, или CH 3 –CHD – OH, или CH 3 –CH 2 –OD (буква D означает дейтерий)…

Раскрывая состав и происхождение вин, метод SNIF усложняет жизнь мошенникам: добавить сахар, разбавить вино или подменить этикетку становится невозможно!

8. МРТ-аппарат. Лежащего пациента помещают внутрь рабочего цилиндра

Под термином «прецессия» в механике подразумевается изменение направления вектора момента импульса, или, проще говоря, направление оси вращения вращающегося объекта. Например, Земля вращается вокруг оси, которая со временем проворачивается, что приводит к смещению дат равноденствий. Волчок незадолго до падения также демонстрирует явление прецессии: его ось вращения отклоняется от вертикали (см. главу 17, «Волчок и момент вращения»).