Bajardi: Nuriddinov Sirojiddin

O‘ZBЕKISTОN RЕSPUBLIKАSI ОLIY VА O‘RTА MАXSUS TА`LIM VАZIRLIGI

TОSHKЕNT DАVLАT TЕXNIKА UNIVЕRSITЕTI



Fan:Fizikaning qo’shimcha boblari

Mavzu:Yadro magnit rezonansi va uning fandagi ahamiyati.

Guruh:108-18

Bajardi:Nuriddinov Sirojiddin

Magnit rezonans

Magnit rezonans – moddaning maʼlum bir uzunlikdagi elektromagnit toʻlqinlarni tanlab yutishi. Bunga sabab — elektronlar yoki atom yadrolarining magnit momentlari oʻz yoʻnalishini oʻzgartiradi. Moddalarning turi va xususiyatlariga kura, Magnit rezonans hodisasi, asosan, 4 ga boʻlinadi: yadroviy Magnit rezonans (toʻlqinlar amplitudasining kuchli kattalashishi), elektron paramagnit rezonans, ferromagnit rezonans va antiferromagnit rezonans; a) yadroviy Magnit rezonansda elektromagnit toʻlqinlarning yutilishi (nisbatan juda kuchsiz yutilishi) radiochastotali magnit maydoni taʼsiridagi kuchli oʻzgarmas magnit maydonida kuzatiladi. Atom yadrosi magnit “tashuvchi” boʻlib xizmat qiladi va xossalari koʻrilayotgan hodisaning rezonansligini belgilaydi; b) radiochastotali elektromagnit maydon energiyasining paramagnit moddalarda tashqi magnit maydon taʼsirida rezonans yutilishi elektron paramagnit rezonansdir; v) turli chastotali ikki oʻzgaruvchi elektromagnit maydonning modsaga bir vaqtda rezonans taʼsirida juft rezonans hodisasi roʻy beradi. Paramagnit kvant kuchaytirgichlarning ishi shu hodisaga asoslangan, ferromagnit rezonans ferromagnitlardagi elektron Magnit rezonans deb ham ataladi. Ferromagnit modda oʻziga xos magnitlanish xususiyatiga ega, yaʼni ferromagnitda tashki magnit maydon yoʻq holda ham ichki magnit maydon boʻladi. Ferromagnit modda elektronlari oʻrtasidagi taʼsir kuchlari shunchalik katta boʻladiki, hatto issiklik harakati natijasida elek-tronlar spinining harakat yoʻnalishi ham oʻzgarmaydi. Bu hodisaga, asosan, oʻta yuksak chastotali asboblar (ferrit generatorlari va kuchaytirgichlari) yasaladi; g) antiferromagnit rezonans elektromagnit energiyaning antiferromagnitda rezonans yutilishidir. Bu hodisa yuksak chastota diapazoni (odatda, mm li toʻlqinlar diapazoni) da kuzatiladi. Antiferromagnit rezonans hodisasini kuzatishda radiospektroskoplardan foydalaniladi. Yadro magnit rezonansi (YAMR) usulining nazariy asoslari

Yadro magnit rezonans usulini 1946 yilda Parsell va Blox bir-biridan xabarsiz holda yaratdilar va shundan soʻng kimyo fanida qoʻllana boshladi. Maʼlumki, har qaysi yadro spin kvant soni bir bilan tavsiflanadi va bu spinlar 0,1/2,1, 3/2,2......... qiymatga ega boʻladi. Agar yadroda nuklonlar soni juft boʻlsa – (S12, O16) umumiy spin kvant soni nolga teng boʻladi. Agar ularning soni toq boʻlsa (F19 , S13) umumiy spin kvant soni yoki qiymatga ega boʻladi. Umumiy spin kvant soni 0 nolga teng boʻlgan yadro magnit maydonida bir energetik holatda boʻladi (2·0+ 1). Bunday yadrolar YAMR-spektroskopiya uchun obyekt boʻla olmaydi. Yadroning spini (N1,S13, F19 ,R31) boʻlsa, yadro tashqi magnit maydonida 2 ta energetik holatda turadi.

Shunga qarab yadroda musbat zaryad ham turlicha taqsimlanadi. Zaryadli yadro oʻz oʻqida aylanganda magnit momentiga ega boʻladi. Bunday yadrolarning xossalarini YAMR usulida tekshirish mumkin. Yadroga radio nurlanish berilganda energiya yutilib, bir magnit-energiya darajadan ikkinchi magnit-energiya darajaga oʻtadi. Bor qoidasiga asosan birinchi holatdan ikkinchi holatga oʻtish uchun:

ΔYe = hv = M · g · H (17)

energiya talab qilinadi. Bu yerda N-maydon kuchlanishi M-Bor magnetoni, ġ- ajralishning spektroskopik omili.

Shunday qilib, moddalarni yadromagnit rezonans usulida tekshirishda tekshiralayotgan moddaga kuchli magnit maydoniga tik ravishda klistron (generator) yordamida maʼlum takrorlikda radio toʻlqin beriladi. Yuqoridagi tenglamaga muvofiq,

(18)

N- ning maʼlum qiymatida tenglamaning oʻng tamoni v ga teng boʻladi, yaʼni tenglama sharti bajariladi. Bunda magnitlangan modda tomonidan radiotoʻlqin (energiya) yutiladi. Bu hol shkalada maksimumlar shaklida namoyon boʻladi. Shkala τ birligida belgilanib, 1 dan to 10 gacha boʻlingan boʻladi. Shkalaning uzunligi maydon deb hisoblansa, 1 dan to 5 gacha boʻlgan masofa kuchsiz va 5 dan 10 gacha boʻlgan masofa kuchli maydon deb yuritiladi. Kuchsiz maydonda gidroksil - ON, karboksil - SOON, aldegid R-COOH, benzol S6N6, suv N2O dagi protonlar aks etadi. Kuchli maydonda esa metin - SN, metilen – SN2 va metil SN3 protonlari aks etadi. Shu bilan birga protonlarga molekuladagi qoʻshni protonlar va boshqa funksional guruhlar taʼsir etadi, natijada shkalada protonlarning koʻrinishi har xil boʻladi. Masalan ajratilgan metil guruh boʻlsa, uning uchta protoni shkalada bitta choʻqqili uch protonga teng boʻlgan sikletga ega boʻladi. Agar metil guruhning yonidagi uglerodda bitta proton boʻlsa uning taʼsirida ikkita choʻqqili uch protonga teng boʻlgan dublet hosil boʻladi. Shunday qilib, YAMR usuli molekuladagi vodorod atomlarining sonini va qanday holatda joylashganligini yaqqol koʻrsatib, birikmaning tuzilishini aniqlashda katta yordam beradi.

Har qanday mikrozarracha (elektron, proton, neytron va hokazo) spinga ega. Spinni zarrachaning oʻz oʻqi atrofida harakat qilishi deb qarash mumkin. Juft sonli massa va zaryadga ega yadrolar uchun spin kvant soni (J)nolga teng. Juft sondagi massaga va toq sondagi zaryadga ega boʻlgan yadro (deyteriy) lar soniga ega boʻlib J=1 dir. Toq massa va toq zaryadi yadrolarning spini kasr sonlarga muvofiq keladi. Masalan,

Bulardan yadro magnit rezonansi (YAMR)-spektroskopiya uchun eng

ahamiyatlisi (proton)dir, chunki barcha neft va gazdan olingan organik moddalar oʻz tarkibida vodorod tutadi. Vodorod atomi yadrosi (proton) zaryadi boʻlgani uchun oʻz oʻqi atrofida harakat qilganda magnit maydoni hosil qiladi. Maʼlumki, bu harakatlanayotgan har qanday zaryadli zarracha uchun xosdir. Masalan, oʻtkazgich boʻylab elektr toki (ionlar va elektronlar) oʻtganda uning atrofida magnit maydoni (solenoid) hosil boʻladi. Shunday ekan, protonni oʻz maydoniga ega boʻlgan “mitti” magnit deyish mumkin. Spinga ega boʻlgan biror zarracha kuchlanganligi N0 boʻlgan magnit maydoniga kiritilsa, oʻzaro taʼsirlashish natijasida zarracha muayyan holatlarni oladi. Bu holatlar spin kvant soni J bilan bogʻlanishda boʻladi. Masalan, boʻlgan proton uchun boʻladi, proton magnit maydonida ikki holatda boʻlishi mumkin. Boshqacha aytganda, proton hosil qiladigan magnit maydonining kuch chiziqlari tashqi maydon (N0) kuch chiziqlari bilan bir tomonga qarab yoki unga qarama-karshi yoʻnalgan boʻlishi mumkin. (39- rasm)

39-rasm Yadro spinining magnit maydonida joylashuvi

Bitta proton qanday qilib ikki xil yoʻnalishga ega maydon hosil qilishini quyidagicha tushuntirish mumkin. Agar 1 g miqdorida vodorod ioni olinsa, unda 6,3∙1023 dona proton boʻladi. Magnit maydonida ana shu miqdor protonning bir qismi hosil boʻlgan maydon (N0) bilan bir xil boʻlib uni kuchaytiradi, qolgan qisminiki esa tashqi maydonga qarama-qarshi boʻladi, yaʼni tashqi maydonini susaytiradi. Boshqacha aytganda, spinlar maydon boʻylab va teskari yoʻnalishda joylashadi. Asosiy maydon (N0)ni kuchaytiradigan yadrolar energiyasi uni susaytiradigan yadrolar energiyasidan kichik boʻladi (40-rasm). Odatda bu hol yadrolarning energetik pogʻonalari magnit maydoniga ikkiga ajralishi deyiladi.

40-rasm. Magnit maydonida yadrolar energetik pagʻonalarning ajralishi

Shunday qilib, yadrolarning bir qismi pastki pogʻonada, qolgan qismi esa energiyasi koʻproq boʻlgan yuqori pogʻanada joylanadi. Pogʻonalar

energiyalarining farqi ∆Ye ga teng. Tabiiyki, pastki pogʻona energiyasi kichik boʻlgani uchun unda yuqori pogʻonaga nisbatan koʻproq yadrolar joylashadi. Boshqacha aytganda, hosil boʻlgan maydonlari yoʻnalishi tashqi maydon (N0)yoʻnalishi bilan bir xil boʻladigan yadrolar nisbatan

koʻproq boʻladi. Lekin bu farq uncha katta emas. Odatdagi haroratlarda yuqori va quyi pogʻonalar zichligidagi farq umumiy yadrolarning 0,00001 qismidan oshmaydi. Masalan, yuqori pogʻonada 1000000 yadro boʻlib, quyi pogʻonada ta yadro, yaʼni oʻntagina atom

yadro ortiq boʻladi, xolos.

Pogʻonalardagi yadrolar zichligidagi bu farqning kam boʻlishiga sabab, yuqori va quyi pogʻonalar energiyalaridagi farq (∆Ye) ning kichikligidir. Yadro magnit rezonansi usulining mohiyatini mana bunday ifodalash mumkin: Har ikkala pogʻonadagi yadrolarni tenglashtirish uchun tashqaridan energiya beriladi. Bunda pastki pogʻonadagi yadrolar yuqori pogʻonaga koʻchib oʻtadi. Boshqacha aytganda, yadrolar spini teskarisiga oʻzgaradi. Endi asosiy maydon (N0)yoʻnalishiga qarama-qarshi maydon hosil qiluvchi yadrolar soni ortadi. Oʻtadigan yadrolar soni kam boʻlgani, pogʻonalar energiyalari oʻrtasidagi farq (∆Ye)kichik boʻlgani uchun bu oʻtishni energiyasi kam boʻlgan (toʻlqin uzunligi katta, chastotasi kichik) radio toʻlqinlar yordamida amalga oshirish mumkin.

41-rasm. YAMR- spektometrining umumiy sxemasi

Lekin ana shu kichik miqdor, energiya (∆Ye) moddaning radio chastotali toʻlqin yutishi va uni koʻzatish uchun kifoya. Pogʻonalar energiyalarining farqi tashqi maydonning kuchlanganligiga toʻgʻri proporsionaldir.

(19)

Bunda: h - Plank doimiysi, J- proporsionallik koeffitsiyenti, N0- tashqi maydon kuchlanganligi,

E = hv boʻlgani uchun (20)

(20) tenglama yadro magnit rezonansi (YAMR) ning asosiy tenglamasidir. Yadro magnit rezonansini kuzatish uchun modda ampulaga solinib, yuqori kuchlanishli doimiy magnit maydoniga kiritiladi (41-rasm). Ampulaga galtak oʻralgan boʻlib, undan radio chastotali oʻzgaruvchan tok oʻtkaziladi. Tokning chastotasini generatordan oʻzgartirib turish mumkin. Ampulaga oʻralgan gʻaltakdan oʻtgan tok oʻzgaruvchan magnit maydoni hosil qiladi, Energiya modda tomonidan ana shu maydon koʻrinishida yutiladi. Generatordan berilayotgan chastota (v) ni oshira borib uni shunday qiymatga yetkazish mumkinki, bu qiymat (20) tenglamani qanoatlantiradi.

42-rasm Yadro magnit rezonansi (YAMR) spektr.

Ana shu paytda modda energiya yutadi. Odatda bunda rezonans vujudga keldi deyiladi. Modda energiya yutganda zanjirdagi tok kamayib ketadi. Energiya yutilishi tugagandan keyin, zanjirdagi tok asli holiga qaytadi. Endi chastotaning har qanday oʻzgartirilish moddaga taʼsir qilmaydi. Ana shunday hosil qilingan yadro magnit rezonansi (YAMR) -spektr 42-rasmda koʻrsatilgan. Spektrdagi choʻqqi (choʻqqi) signal deyiladi. Chastota (v) doimiy qoldirilib, magnit maydoni kuchlanganligi (N0)oʻzgartiriladi. (N0)qiymati (20) tenglamani qanoatlantirganda rezonans kuzatiladi. Hozir 40,60,100 Mgs (megagers 106 gers) chastotada ishlaydigan spektrometrlar mavjud.

Yadro magnit rezonansi (YAMR)-spektrlar odatda eritmalarda (modda suyuq boʻlsa, shu holicha) olinadi. Eritmaning konsentratsiyasi 5-20 % atrofida boʻladi. Spektr olish uchun zarur boʻlgan modda miqdori 25-30 mg. Erituvchi sifatida YAMR-spektr bermaydigan (SS14CSi) yoki boshqa organik birikmalar (rezonans bermaydigan sohada energiya yutuvchi moddalar (CDC13- deyteroxloroform) ishlatiladi. Yadro magnit rezonansi (YAMR)-spektr toʻrtta kattalik bilan tavsiflanadi:

1. Signallar (choʻqqi) choʻqqilarning oʻrni.

2- Signallar soni

Signallar jadalligi.

Signallarning ajralib ketishi.