Запознаване с протонна ядреномагнитна спектроскопия

Ядрото на водородния атом представлява протон, който се характеризира с т.нар. спин. Можеш да си го представиш, просто като илюстрация, можеш да си представиш, че този протон се върти по този начин. Въртящ се протон, просто като въртяща се сфера със заряд, а всеки въртящ се заряд създава магнитно поле. Следователно можем да кажем, че протонът е малък магнит. Като магнитна пръчка или стрелката на компаса. Ето тук отдясно имаме стрелка на компас, която има два полюса. Имаме северен полюс, който ще оцветя в червено, имаме и южен полюс. Стрелката на компаса е също като малка магнитна пръчка, така че мога да направя магнитни полета, нали? Линиите на магнитното поле се движат от северния към южния полюс. Ще нарисувам магнитните линии. Те се движат от север на юг. Магнитната линия започва от север и отива на юг. Можем също да разгледаме магнитния диполен момент на стрелката на компаса. Магнитният диполен момент се нарича още магнитен момент и това е вектор, който има посоката на диполното магнитно поле. Значи имаме два полюса, северен и южен, и магнитният момент е насочен в тази посока. Като използваме същата идея, можем да се върнем при протона, и да го разгледаме като стрелка на компас. Ако той се върти в тази посока, той ще има северен полюс и южен полюс. Ще оцветя северния полюс в червено. Можем да начертаем магнитните силови линии. Можем да начертаем линиите на магнитното поле, които започват от северния полюс и отиват към южния полюс. Сега ще направя и тези тук. Значи можем да начертаем магнитния момент на протона. Този магнитен момент е успореден на диполното магнитно поле. Ето така разглеждаме протона: като малък магнит с магнитен момент. Да се върнем пак при стрелката на компаса. Знаем, че ако поставим стрелката на компаса в магнитното поле на Земята, стрелката на компаса ще се насочи към север, както съм показал тук долу. Магнитният момент... стрелката на компаса ще се насочи към север ето така. Знаем, че противоположните полюси се привличат, така че ако това е северният полюс на нашата магнитна пръчка, на стрелката на компаса, това трябва да е магнитният южен полюс. Сигурен съм, че тук ще кажеш: "О, това е географският Северен полюс." Това е географският Северен полюс, но ако разглеждаме Земята като магнит, това всъщност е магнитният южен полюс, защото противоположните полюси се привличат. Ако това тук долу е Южният географски полюс, това всъщност е северният магнитен полюс на Земята. Ето това се случва, когато поставим магнитна стрелка в магнитното поле на Земята. Ако искаш магнитната стрелка да сочи в обратната посока... Тук магнитната стрелка сочи в тази посока. Трябваше да вложа енергия, нали? Това е пръстът ми и аз трябваше да завъртя стрелката на компаса. Вложих енергия, за да накарам стрелката на компаса да сочи насам. Надявам се, че виждаш този малък знак ето тук на масата, който оставих. Така че можеш да видиш, че всъщност аз движа стрелката на компаса с пръста си, което изисква енергия. Така че... Когато стрелката на компаса сочи в тази посока, тук имаме повече енергия, отколкото тук. Ако просто я пусна, ако си махна пръста, стрелката на компаса автоматично ще се върне обратно и ще сочи отново в тази посока. Това е състоянието с по-ниска енергия, а това е състоянието с по-висока енергия, защото аз трябва да вложа енергия, за да накарам стрелката на компаса да сочи надолу. По същия начин ще разглеждаме и нашия протон. Ако имаме протон и външно магнитно поле... ще обознача това, това тук е външно магнитно поле, което прилагаме. Ще нарека това В нулево. Ако поставим протон в това външно магнитно поле, тук има квантово взаимодействие между магнитния момент на протона и това външно магнитно поле. Магнитният момент на протона или се насочва успоредно на външното магнитно поле, или се насочва обратно на външното магнитно поле. Ще го начертая тук. Това е нашият магнитен момент, който сочи по посока на външното магнитно поле, а това е магнитният момент, който се насочва обратно на външното магнитно поле. Можем да разгледаме това във връзка със спина на протона, защото аз казах, че той се върти по този начин. Това е северният полюс, а това е южният полюс. Ще оцветя северния полюс в червено, като магнитният момент е в тази посока. За другия случай, ако магнитният момент сега е срещу посоката на приложеното магнитно поле, то протонът трябва да се върти в обратна посока. Можем да си представим, макар че това не е точно това, което се случва... Можем да си представим, че протонът се върти по този начин, като това е северният полюс, а това е южният полюс. Ето затова аналогията със стрелката на компаса е толкова полезна, тъй като има разлика в енергията между тези две спинови състояния. Когато магнитният момент е успореден на магнитното поле, това е алфа-спиново състояние, а когато магнитният момент е срещу приложеното магнитно поле, това е бета-спиново състояние. Има разлика в енергията на тези две спинови състояния, точно както има разлика в енергията между тези състояния на магнитната стрелка. Това има по-висока енергия от това, като обяснението е същото, когато разглеждаме случая с протона. Имаме разлика в енергията. Това спиново състояние има по-висока енергия от това спиново състояние. Сега да се върнем пак към аналогията със стрелката на компаса. Ако някак можем да увеличим магнитното поле на Земята, ще ми е необходима повече енергия, за да насоча стрелката надолу, нали? Трябва да вложа повече енергия, за да променя посоката на стрелката на компаса. Същото се отнася и за протона. Ако увеличим приложеното магнитно поле... ще нарисувам по-голямо магнитно поле. Това е по-голямо магнитно поле. По-голямо В нулево. Значи увеличавам В нулево. Ще увелича разликата в енергията между двете спинови състояния. Ще нарисувам по-голяма разлика в енергията между алфа-спин и бета-спин. Сега при тази разлика в енергията... Ще я нарисувам тук, разликата в енергията... Разликата в енергиите е по-голяма, отколкото тази разлика в енергиите защото прилагам по-силно магнитно поле. Аналогията с компаса пак ще ни помогне да разберем това. Знаем вече, че имаме тези два различни спинови състояния. Оказва се, че един протон може да абсорбира енергия и да прескочи от по-ниското спиново състояние, алфа-спиновото състояние, в бета спиново състояние. Нека да разгледаме диаграмата, на която това е показано. Слизаме тук долу. Ако приложим, отново, ако приложим външно магнитно поле, има две възможни спинови състояния на нашия протон, в нашето ядро. Ядрото може да бъде в алфа-спиново състояние или в бета спиново състояние. Да кажем, че имаме протон в ядрото, който е в алфа-спиново състояние, като има определена разлика в енергиите между алфа и бета-спиновото състояние. Имаме определена разлика в енергията. Протонът може да абсорбира енергия и да прескочи в по-високо енергийно спиново състояние. Ако приложим правилното количество енергия, този протон може да прескочи от алфа-спиново състояние в бета-спиново състояние. Само ще го нарисувам. Това е алфа, а това е бета. Когато това се случи, ядрото се казва, че че е в резонанс с приложеното магнитно поле и оттук следва терминът ядрено магнитен резонанс (ЯМР). Тази разлика в енергията между двете спинови състояния съответства на честотата, защото Е е равно на h нулево, където Е е енергията, а h нулево е честотата. Тази честота се намира в областта на радиовълните в електромагнитния спектър. Сега вече знаем достатъчно, за да разгледаме как работи ЯМР, като трябва да уточня, че всъщност говорим за ЯМР с използване на преобразувание на Фурие. Нека да го напиша. Ще разгледаме само ЯМР, в който се използва преобразувание на Фурие (ПФ) в тази група от видео уроци. Във ПФ ЯМР взимаме проба от съединението и я поставяме във външно магнитно поле. Ядрата могат да бъдат или в алфа-спиново състояние, или в бета-спиново състояние. Тук има известен излишък от ядра в алфа-спиново състояние. Облъчваме пробата с кратък пулс, който съдържа набор от различни честоти, и тези ядра могат да абсорбират енергията и да прескочат от алфа-спиново състояние в бета-спиново състояние. Когато ядрата се върнат обратно от бета в алфа-спиново състояние, все едно, че отпускам пръста си от стрелката на компаса, стрелката на компаса се връща в по-ниско енергийното състояние; ЯМР апаратът може да засече енергията, която се освобождава и получаваме сигнал в нашия ЯМР спектър. Тук долу показвам един много прост ЯМР спектър, в който имаме сигнал, нали? Сега ще покажа получената ивица тук. Сигналът изглежда ето така, като този пик ето тук. Този пик се наблюдава при определена честота, така че ако спусна тук надолу, това тук представлява определена честота. Ето тук това е интензитет, това е брой абсорбции. Това е колко... всъщност ще говоря по-подробно за това след малко... това е пикът в ЯМР спектъра. Възможно е да получим различни сигнали при различни честоти. Тук ще покажа друг сигнал, ето така. Този сигнал е при тази честота, а този сигнал е при тази честота. Ако имаме различни честоти, ако имаме различни честоти, това означава различна разлика в енергиите. Това ни помага да разгадаем структурата на молекулата. Ще говорим повече за това в следващото видео, как можем да имаме различни честоти, които съответстват на различни енергийни разлики между алфа и бета състоянията.