Навигация
Спин- решеточная релаксация
62309
знаков
0
таблиц
11
изображений
2.3. Спин- решеточная релаксация.
Ядерные спины всегда взаимодействуют со своим окружением (решеткой), но вследствие того, что это взаимодействие мало, допустимо различать спиновую температуру и температуру решетки. Однако, благодаря имеющемуся слабому взаимодействию между двумя системами, устанавливается тепловое равновесие. Поэтому необходимо рассмотреть скорость установления равновесия. Этот процесс играет существенную роль для установления природы ЯМР.
Рассмотрим систему ядер, помещенную в постоянное магнитное поле 
0 (поле 1 отсутствует). Для термического перехода, помимо взаимодействия системы спинов ядер с решеткой, требуется существование определенного энергетического состояния этой системы (решетки), при котором возможен переход. Это можно проиллюстрировать, предположив, что резервуар (решетка) имеет только два уровня энергии, расстояние между которыми точно такое же, как и у ядерной системы.
Если ядро и резервуар вначале находятся в противоположных состояниях (рис. 4а), то одновременный переход, указанный стрелками, удовлетворяет закону сохранения энергии. Следовательно, ядро может отдавать энергию решетке. С другой стороны, если обе системы находятся в верхнем состоянии (рис. 4б), то одновременный переход невозможен, т.к. при этом не сохраняется энергия. Вероятности переходов с поглощением и испусканием одинаковы. При наличии спин- решеточного взаимодействия это равенство нарушается, т.к. в этом случае скорость ядерного перехода зависит от вероятности того, что резервуар находится в состоянии, при котором возможен переход.
Рис.4. Переходы: а - разрешенный; б - запрещенный.
Возвращаясь к нашей системе, получим:
(n – nравн.)=(n – nравн.)0exp(- t/T1), (2.18)
n – разность заселенности двух уровней или избыток заселенности.
Т.о., разность между избыточным числом ядер в произвольный момент времени и его значение в состоянии теплового равновесия (т.е. к моменту, когда t=Т1) уменьшится в е раз. Это время характеризует скорость, с которой система ядерных спинов приходит в тепловое равновесие с другими степенями свободы данного образца (решетки). Величину Т1 обычно называют временем спин- решеточной релаксации. В течение этого времени устанавливается разность заселенности уровней, отвечающая данному значению Н0 и температуры. Результатом этой разности является появление результирующего макроскопического магнитного момента образца. Поэтому можно сказать, что Т1 представляет собой время, необходимое для намагничивания образца.
Процесс спин- решеточной релаксации приводит к уширению резонансной линии, т.к. переходы, индуцируемые другими степенями свободы молекулы, делают конечным время жизни ядра в данном состоянии. Порядок величины уширения, вызванного этим процессом, равна:
Dn»p¤2Dt, (2.19)
где Dn [Гц].
В выражении (2.19) Dt – характеристическое время того процесса, который приводит неопределенности в значении резонансной частоты, т.е. обуславливает уширение сигнала. Т.о., ширина линии в единицах частоты, обусловленная спин- решеточной релаксацией, приблизительно равна 1/Т1.
Время спин- решеточной релаксации существенно зависит от окружающей среды и типа ядра. Передача магнитной энергии от протонов и других ядер со спином 1/2 к другим степеням свободы может происходить только одним путем – посредством флуктуаций локальных магнитных полей. Ядра с более высокими значениями спина имеют электрические квадрупольные моменты, которые могут взаимодействовать с флуктуирующими электрическими полями. Поэтому значения Т1 для таких ядер меньше. Для жидкостей значения времен спин- решеточной релаксации лежат в пределах 10-2 – 102 с. в твердых телах Т1 меняется от 10-4 – 104 с.
2.4. Спин- спиновая релаксация.
Кроме взаимодействия с решеткой, ядра могут также взаимодействовать между собой. Этот процесс характеризуется временем спин- спинового взаимодействия, которое обозначается обычно как Т2. На каждый магнитный момент ядра действуют не только постоянное магнитное поле Н0, но и слабое локальное магнитное поле лок, создаваемое магнитными ядрами. Магнитный диполь на расстоянии r создает поле m/r3.
С ростом r напряженность поля лок быстро падает, так что существенное влияние могут оказывать только ближайшие соседние ядра. По этой причине разные ядра оказываются в разных постоянных магнитных полях. Результатом чего должен быть разброс (неопределенность) значений энергетических уровней совокупности резонирующих ядер, т.е. неопределенность частоты резонансных сигналов, и как следствие этого – уширение линий. Изменение ориентации и диффузия молекул в жидкостях, газах и некоторых твердых телах происходят обычно настолько быстро, что локальное магнитное поле усредняется до очень малой величины (104 – 105 раз) по сравнению с лок для жесткой решетки, т.е. при фиксированном относительно друг друга расположении ядер. В соответствии с таким усреднением наблюдаются узкие резонансные линии. По величине разброса локального поля лок с помощью уравнения резонанса можно найти разброс частоты ларморовой прецессии:
Dn=mлок/Iħ. (2.20)
Если в какой- либо момент времени ядерные диполи прецессируют в фазе, то время, необходимое, чтобы фазы прецессии разошлись, равно (Δν)-1. это время можно рассматривать как часть времени Т2.
Существует еще один аспект взаимодействия соседних ядер (магнитных диполей), который также следует учитывать при изучении причин уширения линий. Ядерные спины даже в твердых телах прецессируют вокруг направления внешнего магнитного поля 0. Поэтому создаваемые ими локальные поля можно разложить на статическую компоненту ст (направленную вдоль 0) и осциллирующую осц. Эта компонента создает магнитное поле, которое может индуцировать переходы соседнего ядра, если это ядро прецессирует с той же частотой. В результате ядро j, создающее магнитное поле, осциллирующее с ларморовой частотой, может вызвать переход у ядра i. Энергия для такого процесса берется от ядра j, и происходит одновременная переориентация (переброс) обоих ядер, т.е. обмен энергией при сохранении общей энергии ядер (рис.5.).
Рис.5. Локальные поля, создаваемые ядерным магнитным диполем.
Однако время жизни каждого из них на данном энергетическом уровне уменьшается. Поскольку относительные фазы ядер изменяются за время (Δν)-1, то для спинового обмена требуется интервал времени такого же порядка. Этот процесс вызывает дальнейшее уменьшение времени Т2, т.е. уширение резонансной линии (наблюдаемое при фиксированной частоте) на величину порядка лок. Оба эти фактора учитываются в величине Т2, которая определяется как время жизни спинов в определенном состоянии и которая представляет собой величину, обратную ширине спектральной линии:
Т2=1/(πΔν). (2.21)
Дипольное уширение и спин- спиновый обмен – это не только лишь два подхода к интерпретации одного итого же явления. В образце, содержащем ядра А и В, не может быть взаимного спин- спинового обмена между данными ядрами, т.к. частоты прецессии сильно различаются. Однако дипольное взаимодействие между ядрами А и В будет наблюдаться, а следовательно, и уширение сигнала.
Следует отметить, что кроме спин- решеточной и спин- спиновой релаксации имеются иные причины уширения линий ЯМР. К этому приводит неоднородность постоянного магнитного поля , т.к. в действительности получается наложение линий поглощения от молекул, находящихся в различных частях образца. На форму линии, а значит и на ее ширину, могут влиять насыщение, нестационарные (переходные) процессы, а также технические характеристики аппаратуры.
Похожие работы
... . За 4.5 минуты получают 512 ЯМР- изображений - 32 среза с 16 кинокадрами на каждый срез . Таким образом , регистрируемые данные имеют четырехмерную структуру . С помощью ядерного магнитного резонанса получены результаты обследования детей в возрасте от 3 до 14 месяцев и сняты изображения левого желудочного сердца . Методы ангиографии были в этих случаях бессильны . Описаны случаи , когда ...
... них менее миллиметра. Это обстоятельство позволяет применять многочастотный метод исследования окружающего скважину пространства подобно методу магнитной резонансной томографии (МРТ) в медицине. Возможность работы на нескольких частотах позволяет также увеличить или скорость каротажа, или точность измерения релаксационной кривой при той же скорости, или независимо реализовать несколько различных ...
... плотности на фоне внутривенного введения KB 05-1. МР томография с самого начала своего клинического использования стала методом выбора в визуализации очагов демиелинизации спинного мозга. Как и при исследовании церебральной формы рассеянного склероза, Т2-взвешенные МРТ являются наиболее информативными для выявления очагов демиелинизации в спинном мозге . Т1-взвешенные томограммы полезны в ...
... 1400 84 84 1250 87 77 99 80 80 2. Уравнение Блоха Уравнение Блоха является основой для анализа электромагнитных процессов, возникающих при ЯМР. Оно получено из феноменологических представлений (не физических) и хорошо описывает поведение макросистемы в магнитном поле. Это уравнение имеет вид . (3) Член отражает незатухающую прецессию (ротацию), где произведение ...
0 комментариев