|
|
نمونه ای از یک دستگاه NMR
|
| تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) ، یک روش طیف سنجی برای شیمیدانان آلی از اهمیتی والاتر نسبت به طیف سنجی مادون قرمز برخوردار است. بسیاری از هسته‌ها را می‌توان با فنون NMR مطالعه کرد، ولی هیدروژن و کربن بطور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالی که طیف سنجی مادون قرمز اطلاعاتی راجع به نوع گروه‌های عاملی موجود در مولکول در اختیار می‌نهد ، تشدید مغناطیسی هسته‌ای ما را از تعداد هیدروژن مطلع می‌سازد. بعلاوه این روش ، اطلاعاتی راجع به طبیعت محیط اطراف اینگونه اتمهای هیدروژن بدست می‌دهد. مجموع اطلاعات داده شده از مادون قرمز و تشدید مغناطیسی هسته‌ای اغلب اوقات برای تشخیص ساختمان یک مولکول مجهول کافی است. |
حالات اسپین هسته
بسیاری از هسته‌های
اتمها دارای خصلتی هستند که اسپین خوانده می‌شود.
هسته‌ها به گونه‌ای رفتار می‌کنند که گویی در حال چرخش هستند. در حقیقت اتمهایی که
عدد جرمی فرد یا هر دو را دارند، دارای گشتاور زاویه اسپین کوانتایی و گشتاور مغناطیسی هستند. معمولترین هسته‌هایی که دارای اسپین هستند عبارتند از:
199F ، 21H ، 136C ، 147N ، 178O ، 11H
توجه کنید که هسته‌های ایزوتوپهای معمولی و فراوانترین ایزوتوپهای کربن و اکسیژن یعنی
126C ،
168O در میان هسته‌های فوق دیده نمی‌شود. هسته اتم هیدروژن معمولی (
پروتون) دارای اسپین است. برای هسته‌هایی که اسپین دارند، تعداد حالات اسپین مجاز ، کوانتایی بوده و بوسیله عدد کوانتومی اسپین هسته ،
I ، تعیین می‌گردد که این عدد یک ثابت فیزیکی برای یک
هسته است. برای یک هسته با عدد کوانتومی I ، تعداد حالات اسپین مجاز
2I + 1 بوده که از
I+ تا
I– را در بر می‌گیرد.
در غیاب میدان مغناطیسی
در غیاب یک
میدان مغناطیسی ، تمام حالات اسپین یک هسته ، ترازهای انرژی برابری را دارد (تبهگن هستند) و در مجموعه‌ای از اتمها ، تمام حالات اسپین باید تقریبا به یک اندازه اشغال شوند تا تعداد یکسانی از اتمها ، هر یک از اسپینهای مجاز را داشته باشند.
گشتاور مغناطیسی هسته
در یک میدان مغناطیسی ، حالات اسپین انرژی یکسانی را نخواهند داشت، زیرا یک هسته ذره‌ای باردار بوده و هر ذره باردار متحرک خود تولید میدان مغناطیسی می‌کند. بنابراین ، یک هسته دارای گشتاور مغناطیسی (μ) است که بوسیله بار و اسپین آن تولید می‌شود. یک هسته هیدروژن می‌تواند اسپینی (چرخشی) موافق جهت عقربه‌های ساعت (2/1+) یا مخالف جهت عقربه‌های ساعت (1/2-) داشته باشد و در این دو حالت ، گشتاورهای مغناطیسی هسته در دو جهت مخالف هستند.
در یک میدان مغناطیسی ، تمام پروتونها گشتاور مغناطیسی خود را یا در جهت میدان و یا در حهت مخالف آن قرار می‌دهند. هسته‌های هیدروژن فقط می‌توانند یکی از دو جهت را نسبت به میدان مغناطیسی اعمال شده قبول کنند. حالت اسپین (2/1+) چون در جهت میدان است، از انرژی کمتری برخوردار است، در حالیکه اسپین (2/1-) بدلیل اینکه در جهت خلاف میدان است، دارای انرژی بالاتری است. بنابراین هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی بکار برده شود، حالت اسپین دژنره به دو حالت ، با ترازهای انرژی نابرابر شکافته می‌شود.
جذب انرژی
پدیده تشدید مغناطیسی هسته‌ای هنگامی رخ می‌دهد که هسته‌های هم جهت میدان اعمال شده ، انرژی جذب کرده ، جهت اسپین خود را نسبت به آن میدان تغییر دهند. جذب انرژی ، یک فرایند کوانتایی بوده ، انرژی جذب شده برابر اختلاف انرژی بین دو حالت موجود است.
E= (E-1/2 – E+1/2) = hv
هرقدر میدان مغناطیسی اعمال شده شدت یابد، اختلاف انرژی بین دو حالت اسپین افزایش می‌یابد. میزان اختلاف ترازهای انرژی بستگی به نوع هسته نیز دارد. هر هسته (
هیدروژن ،
کلر و ...) دارای نسبت گشتاور مغناطیسی به گشتاور زاویه‌ای ویژه‌ای است، چون هر هسته دارای جرم و بار متفاوتی است. این نسبت را
نسبت گردش مغناطیسی گویند که برای هر هسته مقدار ثابتی است و تابعیت انرژی از میدان مغناطیسی را تعیین می‌کند:
E=hv=γ (h/2π) B0 → V= (γ/2π) B0
تشدید پروتون
اگر مقدار صحیح گاما برای
پروتون قرار داده شود، می‌توان دریافت که یک پروتون ناپوشیده باید در میدانی با قدرت 1 تسلا ، تابشی با فرکانس 42.6 مگا هرتز را جذب کند. یا در میدانی با قدرت 1.41 تسلا فرکانس تابشی 60MHz را جذب نماید. گرچه تعداد زیادی از هسته‌ها دارای تشدید مغناطیسی هستند ، اما در
شیمی آلی تشدید پروتون بیشتر مورد توجه است.
اگر برای پروتون ، میدان مغناطیسی اعمال شده دارای قدرت تقریبی 1.41 تسلا باشد، اختلاف انرژی بین دو حالت اسپین حدود 2.39x10
5-Kj/mol خواهد بود. تابشی با فرکانس 60MHz که در ناحیه فرکانس رادیو
طیف الکترومغناطیسی قرار دارد، چنین اختلاف انرژی‌ای را در بر می‌گیرد. اختلاف انرژی بین حالات اسپین در هسته‌های دیگر بیشتر یا کمتر از آنچه در
هیدروژن مشاهده می‌شود، می‌باشد.
دستگاههای طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته
بسیاری از طیف سنجهای تشدید مغناطیسی هسته از یک میدان مغناطیسی متغیر با قدرتی حدود 1.41 تسلا و تابش فرکانس رادیو ثابت 60MHz استفاده می‌کنند. این طیف سنجها فقط انتقالات میان حالات اسپین پروتون یک
مولکول را انجام می‌دهند، ولی قادر به انجام چنین عملی برای هسته‌های دیگر نیستند عموما دستگاههای جداگانه‌ای برای مشاهده تشدید هسته‌ای هسته‌های دیگر نظیر
کربن و
فسفر کاربرد دارد.
دستگاههای جدیدتر و گرانبهاتر
تبدیل فوریه که امروزه بطور عادی از آنها استفاده می‌شود، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در یک دستگاه می‌توان هسته‌های چندین
عنصر گوناگون را مشاهده نمود. دستگاههای 200MHz و 300MHz بطور روزمره و معمولی مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دستگاههایی با فرکانس 60MHz را می‌توان در مراکز تحقیقاتی و دانشگاههای بزرگ یافت.
مباحث مرتبط با عنوان
