Ядерный магнитный резонанс на молекулярных и атомных пучках

Впервые явление ядерного магнитного резонанса наблюдал Раби с сотрудниками в 1939 г. на молекулярных пучках. К этому времени были уже хорошо известны опыты Штерна и Герлаха, позволившие оценить магнитный момент атома и установить дискретность значений его z-компоненты, а также работы Эстермана, Штерна и Фриша по определению магнитного момента протона. Во всех этих работах использовалось то обстоятельство, что на частицу, обладающую магнитным моментом μ, в неоднородном магнитном поле действует сила

где dH/dz — неоднородность магнитного поля. Под действием fm частица будет отклоняться в направлении dz, причем величина этого отклонения dz определяется кинетической энергией частицы Е, ее магнитным моментом μz, и неоднородностью магнитного поля dН/dz.

где А — постоянная, зависящая от геометрических параметров прибора. Как видно из (2.2), зная параметры прибора, величину dH/dz и среднюю кинетическую энергию частиц в пучке, по величине dz можно определить μz. Однако даже в наиболее совершенных опытах Эстермана и Штерна точность определения магнитного момента частицы была невысокая (для протона она не превышала 10%).
С целью улучшения существующих устройств для определения магнитного момента микрочастиц в методе Раби на определенном участке траектории частицы создаются условия магнитного резонанса. Благодаря этому в результате нутаций ядерного (или электронного) магнитного диполя осуществляется его переориентация. Суть метода состоит в следующем.

В камере низкого давления (=10в-6 мм рт. ст.=10в-8Па = 10в-6 гПа) создается пучок магнитных частиц (атомов или молекул), который проходит через зазоры магнитов А и В. Эти магниты совершенно одинаковые и в их зазорах создаются неоднородные магнитные поля, равные по величине dH/dz = 80000 Гс/см (=8 Т/см), но с противоположным направлением градиентов поля. В связи с этим магнитные частицы, пролетая сквозь зазоры магнитов А и В, будут испытывать одинаковые отклонения сначала в одном, а затем в противоположном направлениях (рис. 2.1) и попадут на чувствительней элемент детектора D. Если исследуемые частицы представляют собой молекулы со скомпенсированными электронными спинами (молекулы в 1Σ0-состоянии), или атомы, то магнитные свойства таких частиц и их взаимодействие с внешними полями определяются лишь магнитными моментами ядер. Между магнитами A и B расположен магнит С, в зазоре которого создается высокооднородное постоянное магнитное поле H0. Кроме того, в зазоре магнита С установлена петля П, при помощи которой в области прохождения пучка через магнит С на участке l создается переменное магнитное поле H1(t), которое ориентировано перпендикулярно полю H0. Принцип действия петли П поясняется на рис. 2.2.
В результате воздействия на магнитные диполи μ постоянного H0 и переменного H1 магнитных полей будет происходить переориентация этих диполей. Длину петли l и напряженность поля H1 выбирают такими, чтобы за время пролета через нее частиц со скоростью v происходила переориентация магнитных диполей μ, т. е. чтобы за счет нутации угол 0 изменился на π.

Таким образом, после магнита С все диполи μ, частиц пучка оказываются переориентированными (знак μz изменился на противоположный) и, следовательно, в соответствии с (2.2) в зазоре магнита В они будут отклоняться в ту же сторону, что и в магните А, и на детектор D не попадут. Поскольку интенсивность процесса переориентации магнитных диполей за счет нутации возрастает по мере уменьшения расстройки Δω, то при этом должен уменьшаться поток частиц, попадающих в щель детектора D. Следовательно, ток i в цепи детектора будет изменяться симбатно с изменением расстройки Δω. Это изменение i (Δω) носит резонансный характер. В качестве примера на рис. 2.3 приведен сигнал ЯМР 1H в КОН, полученный в поле H0 = 3453,0 Гс (0,3453 Т). Наблюдаемые таким образом резонансные линии позволяют определить частоту ω0 и ширину линии, исследовать форму сигнала и получить другие характеристики спектра ядерного магнитного резонанса в атомных и молекулярных пучках.

Если исследуются молекулы водорода, то сигнал ЯМР наблюдается лишь от ортоводорода (суммарный спин которого Y=1). В молекулах параводорода (Y=0) спины и магнитные моменты протонов ориентированы антипараллельно, и переориентация магнитных диполей отдельных протонов в магните С не изменит магнитных свойств молекулы в целом и траектории ее движения.
С помощью метода ЯМР на пучках были измерены гиромагнитные отношения и магнитные моменты многих ядер с более высокой точностью, чем это осуществлялось при помощи других методов. Впервые определено значение магнитного момента протона, которое оказалось в 2,8 раза больше ядерного магнетона.