Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

ЯМР служит не только химикам, но еще и ценителям хорошего вина! С его помощью можно определять происхождение вина – такой метод называется SNIF. Предполагалось, что эта аббревиатура расшифровывается как Specific Natural Isotope Fraction (конкретная доля природных изотопов), но в переводе с английского to sniff означает «нюхать». ЯМР позволяет в некотором роде «понюхать» вино.

Метод SNIF был изобретен химиками Жераром и Маривонн Мартен в Нанте в 1980-х годах, первоначально с целью определения того, добавляли ли в вино сахар (см. главу 14). Кроме того, этот метод дает информацию о географическом происхождении этанола! В самом деле, в разных регионах процессы фотосинтеза и метаболизма для водорода 1H и его изотопа дейтерия 2H протекают по-разному, о чем и позволяет судить конкретный спектр ЯМР. Магнитный момент дейтерия меньше, чем у водорода, поэтому химические сдвиги их ЯМР-сигналов отличаются. Измеряя интенсивность сигналов, вычисляют дозу дейтерия, сравнивают ее с имеющейся картой распределения дейтерия по винодельческим районам и таким образом получают представление о происхождении вина. В природе доля дейтерия очень мала и измеряется в миллионных частях (ppm). Так, она составляет 90 ppm на Южном полюсе и в среднем 160 ppm на экваторе. Отметим, что на Венере она составляет 16 000 промилле, то есть водород там содержит 1,6 % дейтерия.

На происхождение вина указывает еще один фактор – это локализация дейтерия в различных группах. Молекула этанола CH 3 –CH 2 –OH может превратиться в CH 2 D – CH 2 –OH, или CH 3 –CHD – OH, или CH 3 –CH 2 –OD (буква D означает дейтерий)…

Раскрывая состав и происхождение вин, метод SNIF усложняет жизнь мошенникам: добавить сахар, разбавить вино или подменить этикетку становится невозможно!

8. МРТ-аппарат. Лежащего пациента помещают внутрь рабочего цилиндра

Под термином «прецессия» в механике подразумевается изменение направления вектора момента импульса, или, проще говоря, направление оси вращения вращающегося объекта. Например, Земля вращается вокруг оси, которая со временем проворачивается, что приводит к смещению дат равноденствий. Волчок незадолго до падения также демонстрирует явление прецессии: его ось вращения отклоняется от вертикали (см. главу 17, «Волчок и момент вращения»).

Но вернемся к теме этой главы – ядерному магнитному моменту. Представление о простейшем атоме можно получить на примере точечного электрического заряда q , описывающего под действием электростатического притяжения окружность вокруг неподвижного заряда противоположного знака (илл. а).

Пусть на этот заряд также воздействует магнитное поле B →(илл. b). Теперь, кроме электростатической силы притяжения к неподвижному центру, на движущийся заряд воздействует еще и сила Лоренца, направленная перпендикулярно полю и вектору скорости v →и равная по модулю B νsinα, где α – угол между B →и v →. В терминах векторного произведения (см. главу 4, врезку «Смысл силы Кориолиса и векторное произведение») силу Лоренца можно записать как F →= qv →× B →. Это выражение напоминает о силе Кориолиса, появляющейся при написании уравнений движения для тела в системе отсчета, которая сама вращается вокруг оси с угловой скоростью Ω. Как мы уже знаем, в этом случае в баланс воздействующих на тело сил необходимо добавить фиктивную силу, равную mv →× Ω →, где Ω → – вектор угловой скорости, параллельный оси вращения (см. главу 4). Выражения для двух сил, Кориолиса и Лоренца, очень схожи! Особенно если векторы Ω →и B →параллельны. В этом случае можно даже сделать такой трюк, чтобы обе силы скомпенсировали друг друга! Для этого достаточно выбрать Ω = – qB / m . Иначе говоря, надо перейти в систему координат, которая вращается вокруг вектора B →с угловой скоростью – qB / m . В этой системе отсчета магнитное поле и сила Лоренца сокращаются, и все происходит так, как будто заряд A испытывает лишь электростатическое притяжение. То есть его орбита во вращающейся системе отсчета оказывается неподвижной, в то время как в фиксированной системе координат она вращается с угловой скоростью qB / m . А вместе с ней вращается и магнитный момент. Вот вам и прецессия! Этот результат остается неизменным и в квантовой механике: магнитный момент спина в магнитном поле также подвержен прецессии.

Хотя в системе, которую мы только что изучили, имеет место прецессия, ей не подвержен намагниченный стержень (например, стрелка компаса)! Пребывая в магнитное поле, будучи отклоненным от своего положения равновесия и отпущенным без какой-либо начальной скорости, магнитный стержень колеблется без вращения вокруг поля. В конце концов его колебания из-за трения затухнут, и стержень принимает направление север – юг.

Ларморовская прецессия. а.Заряд q, вращаясь вокруг точки O, создает магнитный момент (фиолетовая стрелка). b.При воздействии на него внешнего поля B →возникает сила Лоренца (красная стрелка), которая посредством перехода во вращающуюся систему координат может быть скомпенсирована возникающей при этом силой Кориолиса. Таким образом, в этой системе магнитный момент (фиолетовая стрелка) оказывается неподвижным. Однако при этом относительно неподвижного наблюдателя он вращается. В этом и заключается явление прецессии

После открытия Блоха и Парселла ядерная магнитно-резонансная спектрометрия стала бурно развиваться. Во Франции и Италии появились крупные исследовательские группы по ЯМР. Французские физики Анатоль Абрагам и Ионель Соломон, итальянец Луиджи Джулотто основали всемирно известные научные школы в Париже и Павии. Подобные группы стали движущей силой запуска объединения Ampère (Ампер), которое способствовало научному прогрессу в этой области. ЯМР повсеместно применяется в физике твердых тел, химии, биологии, метрологии. И, конечно же, физики не стали тянуть с началом применения ЯМР в медицине. Первое двумерное изображение двух образцов с водой было получено в 1973 году американским химиком Полом Лотербуром. В 1976 году американский ученый Реймонд Дамадья представил первое ЯМР-изображение опухоли животного. Сегодня многие больницы оснащены аппаратами МРТ для медицинской диагностики (илл. 8).