История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Рис. 37. Кривая поглощения протонного резонанса в растворе нитрата железа, полученная методом Парселла

Авторы это очень хорошо понимали и принимали во внимание конкуренцию между процессами поглощения и вынужденного излучения. Действительно, процессы поглощения включают поглощение фотона микроволнового излучения, что заставляет частицу перейти с низшего на высший уровень. Наоборот, процессу вынужденного излучения соответствует испускание фотона, который подобен фотону, индуцирующему этот процесс, и который заставляет частицу перейти с верхнего на нижний уровень. Поэтому, если эти два процесса поглощения излучения и вынужденного излучения происходят

в равной степени, то никакого сигнала изменения излучения, проходящего через образец, не получится. По этой причине важно установление термического равновесия, так как при этом нижний энергетический уровень более населен, чем верхний, и, следовательно, процесс поглощения превалирует.

Здесь может помочь статистическая механика. Согласно Больцману, отношение между числом молекул, находящихся на верхнем энергетическом уровне, к числу молекул, находящихся на нижнем, дается экспоненциальной зависимостью. В показателе с отрицательным знаком стоит разность энергий двух состояний, деленная на фактор kT, где k постоянная, веденная Больцманом, а Т абсолютная температура. В нашем случае, разность энергий двух магнитных уровней пропорциональна напряженности приложенного магнитного поля, и, увеличивая поле, можно увеличить эту разность. Однако значения магнитных полей, достигаемых доступной техникой, ограничены. Поэтому разность энергий при комнатной температуре мала и сравнима со значением kT.

Ртот факт означает, что, например, РІ случае РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° Рё разумного значения магнитного поля (7000 Гаусс) отношение населенностей верхнего Рё нижнего уровней составит весьма малую величину. Ртого, тем РЅРµ менее, достаточно, чтобы зарегистрировать сигнал поглощения.

Открытие Парселла можно рассматривать, как естественное следствие попыток, предпринятых в Лаборатории Радиации МIТ для уменьшения длины волны радара до 1,25 см. Получилось так, что эта длина волны попадает в пол осу сильного поглощения водяных паров атмосферы, и это препятствовало работе радара. Парселл уделял большое внимание точным методам измерения полос поглощения и в соответствии с этим назвал свою методику резонансным поглощением ядерного магнитного резонанса.

Р’ следующем выпуске Physical Review, СЃРЅРѕРІР° РІ РІРёРґРµ РїРёСЃСЊРјР° РІ редакцию, появилось короткое сообщение Р¤. Блоха, Р’. Хансена Рё Рњ. Паккарда, полученное 29 января 1946 Рі. Авторы описывали эксперимент РІ определенном отношении подобный эксперименту Парселла, РІ котором РѕРЅРё использовали РІРѕРґСѓ. Р’ РёС… эксперименте РЅР° постоянное магнитное поле, которое прикладывалось РІ РѕРґРЅРѕРј направлении (например, вертикальное), накладывалось малое осциллирующее магнитное поле вдоль горизонтального направления. Магнитные моменты ядер образца, первоначально параллельные постоянному полю, возмущались РІ такой конфигурации малым осциллирующим полем, которое заставляло РёС… прецессировать РІРѕРєСЂСѓРі этого поля. РџСЂРё резонансной частоте это малое поле может инвертировать направление магнитных моментов. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, могло проявиться РІ эффекте электромагнитной индукции РІ катушке, помещенной РІ соответствующее место. Рто явление, открытое Фарадеем РІ 1822 Рі., заключается РІ том, что изменяемое магнитное поле индуцирует ток РІ электрической цепи.

Рто исследование Блоха мотивировалось стремлением найти методики для точных измерений магнитного поля. Р’ 1946 Рі. Блох также дал теоретическое объяснение эксперимента, введя РґРІР° времени релаксации СЃРїРёРЅРѕРІРѕР№ населенности. РћРґРЅРѕ время описывалось, как достижение быстрого термического равновесия СЃРїРёРЅРѕРІ ядер СЃ СѓРїСЂСѓРіРёРјРё колебаниями материала (СЃРїРёРЅ-решеточная релаксация). Второе время является характеристическим временем, РІ течение которого поперечные компоненты намагничивания релаксируют Рє своему равновесию, С‚.Рµ. Рє нулю.

Парселл Рё Блох впервые встретились РЅР° собрании Американского физического общества РІ Кембридже (Массачусетс) РІ 1946 Рі. РЈ РЅРёС… всегда были самые дружеские отношения. РљРѕРіРґР° РѕР±Р° были награждены Нобелевской премией, Блох послал Парселлу телеграмму: РЇ думаю, что для РРґРґР° Парселла прекрасно разделить потрясение СЃ Феликсом Блохом.

Ядерный магнитный резонанс, первоначально используемый для изучения магнитных свойств вещества, со временем стал важнейшей медицинской техникой. Поскольку он позволяет измерять

СЃРґРІРёРі резонансной частоты, получающийся Р·Р° счет локального окружения СЏРґСЂР°, получается мощный метод химического анализа, позволяющий идентифицировать химические соединения Рё изучать РёС… строение. РџСЂРё этом важным применением является медицинская диагностика. Ядерный магнитный резонанс позволяет идентифицировать положение магнитных моментов ядер СЃ помощью характерного спектра поглощения. РЇРґСЂР°, дающие сильные сигналы, имеются, например, РІ РІРѕРґРѕСЂРѕРґРµ, дейтерии, углероде Рё фосфоре. Рти СЏРґСЂР° проявляются РїРѕ РёС… спектрам ядерного магнитного резонанса, Рё СЃ помощью специальной техники можно установить РёС… положение Рё таким образом получать трехмерное изображение.

Первые спектры РІ живых тканях были получены лишь около 20 лет назад. Причина, почему потребовалось так РјРЅРѕРіРѕ времени для разработки этой техники, может быть РІ том, что РІ ядерном магнитном резонансе (РЇРњР ) СЃ переходами связаны очень малые энергии, Рё поэтому, чтобы получить достаточно сильные сигналы, требуются сильные постоянные поля. Рти поля должны быть крайне однородными РІРѕ всей области исследуемого образца, который может иметь большие размеры, например человеческое тело. Рспользование сверхпроводящих магнитов преодолевает эту трудность. Медицинское применение ЯМРсегодня позволяет получать изображения анатомических частей человеческого тела Рё идентифицировать химические составляющие РІ организме. Рта диагностика уже получила широкое распространение РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… больницах. РћРЅР° РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… случаях заменяет Рё дополняет наряду СЃ ультазвуковой диагностикой (РЈР—Р) традиционную рентгенографию. Ее преимущества заключаются РІ высокой чувствительности Рё исключении вредности рентгеновских лучей. Р’ 2003 Рі. Нобелевская премия РїРѕ физиологии Рё медицине была присуждена американскому С…РёРјРёРєСѓ Полю Латербуру Рё британскому медику Петеру Мансфилду Р·Р° РёС… вклад РІ визуализацию магнитного резонанса. Р’ 1970-С… РіРі. эти РґРІР° исследователя, независимо РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, продвинули преобразование технологии РЇРњР РёР· спектроскопических лабораторий РІ клиническую диагностику. Рдея была РІ том, чтобы пространственные изменения сигналов РІ РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРј магнитном поле ЯМРспектрометра связать СЃ теми областями, откуда эти сигналы получаются. Действительно, поскольку резонансная частота СЃРїРёРЅР° зависит РѕС‚ силы РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРіРѕ магнитного поля, то если эта сила различна РІ разных точках, то Рё резонансные частоты РІ разных точках Р±СѓРґСѓС‚ различны. Поэтому знание значения магнитного поля РІ каждой точке позволяет локализовать те СЏРґСЂР°, котоые РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ сигнал РЇРњР . Р’ 1973 Рі. Латербур опубликовал первое пространственно разрешенное изображение. Р’ 1974-1975 РіРі. Мансфилд СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё коллегами разработал методики быстрого сканирования РІ образцах Рё РІ 1976 Рі. получил первое изображение живого человеческого тела. Нобелевская премия явилась оценкой РёС… вклада РІ разработку полезной клинической методики.

ЯМР-изображения всего человеческого тела появились около 1980 г. По сравнению с первыми расплывчатыми изображениями в настоящее время получаются четкие изображения. Детали можно различать с разрешением в несколько кубических миллиметров, что позволяет исследовать отдельные органы.

Р РёСЃ. 38. (Р°) Ориентация РѕСЃРё симметрии кристалла СЂСѓР±РёРЅР° РїРѕ отношению Рє направлению магнитного поля (СѓРіРѕР» ). Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЂСѓР±РёРЅР° для = 0 (Р±) Рё для =90 (РІ)

Рлектронный парамагнитный резонанс

Рлектронный парамагнитный резонанс существенно РЅРµ отличается РѕС‚ ядерного резонанса, Р·Р° исключением того, что энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё получаются РІРѕ внешнем магнитном поле РЅРµ РѕС‚ ядерных СЃРїРёРЅРѕРІ, Р° зеемановскими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, которые получаются РІ результате воздействия магнитного поля РЅР° движение электронов РІ атоме. Как РјС‹ уже видели, РїСЂРё приложении внешнего магнитного поля Рє атому снимается вырождение атомных РѕСЂР±РёС‚, Рё каждый уровень энергии электрона расщепляется РЅР° несколько подуровней, разделенных малой величиной энергии, которой типично соответствует микроволновая частота, причем это разделение подуровней зависит РѕС‚ величины внешнего магнитного поля.