Manyetik Rezonans

Magnetik rezonans, bazı magnetik alanların uygulanması sonucunda elektronların ya da atom çekirdeklerinin elektromagnetik ışınım soğurması ya da salması. Magnetik rezonans ilkelerinden, maddenin atom ve çekirdek yapısının çözümlenmesinde yararlanılır.

Elektron paramagnetik rezonansı

Elektron paramagnetik rezonansı (EPR, ya da elektron spin rezonansı (ESR) ilk kez 1944’te, demir grubundaki elementlerin tuzları üzerinde deneyler yaparken Sovyet fizikçi Y.K. Zavoyski tarafından gözlendi. Bazı kristallere özgün rengini veren yapısal kusurlar, sıvı ve katılarda serbest köklerin ortaya çıkması ve yok olması, metallerdeki serbest (iletkenlik bandındaki) elektronların davranışı, moleküler kristallerdeki yarıkararlı durumların (ışıma yoluyla dışarıya enerji aktarımı olmadığı için yaşam süresi uzun olan uyarılmış durumlar) özellikleri gibi olgular EPR’den yararlanılarak incelenebilmektedir.

Sabit bir manyetik alan (H) ile dönen bir manyetik alanın (H’) etkisi altındaki bir magnetip dipol momentinin (µ) yalpalaması

Protonların nükleer magnetik rezonansı (NMR) ABD’de ilk kez 1946’da , ve Martin E. Packard ile bunlardan bağımsız olarak, , ve Henry C. Torrey tarafından gözlendi. Kısa süre içinde nükleer momenti sıfırdan büyük olan hemen bütün kararlı çekirdeklerde (yaklaşık 100 tür) aynı olgu gözlendi. NMR’ye ilişkin daha sonraki bulgular arasında elektrik dörtkutup etkisi; metallerde NMR frekanslarında gözlenen kayma; sıvılarda kimyasal yapıdaki değişmeler ile bir çekirdek spininin ötekini etkilemesinden kaynaklanan enerji düzeyi yarılmaları sayılabilir.

Kendi ekseni çevresinde dönen ya da bir nokta çevresinde dolanan bir parçacık cayroskop davranışı gösterir, bir başka deyişle hareket durumunu değiştirmeye çalışan kuvvetlere karşı koyar. Bu direnimin ölçüsü olan mekanik , parçacığın kütlesine, parçacığın ya da yörüngesinin boyutlarına ve açısal hızına (birim zamandaki dönüş sayısı) bağlıdır. , dönme ekseni doğrultusundaki bir vektör ile gösterilir.

Dönen parçacığın elektrik yükü varsa bir magnetik alan oluşturur; µ ile gösterilen bu vektörün büyüklüğü parçacığın elektrik yükü ile orantılıdır (kütleye bağlı değildir). Bu vektör, parçacığın dönme ekseninin uygulanan bir dış magnetik alan doğrultusunda yönlenme eğiliminin ölçüsüdür. Hem kütlesi hem de elektrik yükü olan bir parçacığın hareketi ise iki vektörle (açısal momentum ve µ) betimlenir; bu vektörler aynı doğrultudadır ama yönleri, yükün işaretine bağlı olarak, aynı ya da zıt olabilir.

Bir çubuk mıknatıs bir magnetik alana konursa, çubuğun kuzey kutbu alanın güney kutbuna yönelir ve çubuk, kendi magnetik alanı, dış magnetik alanın doğrultusuyla çakışıncaya kadar döner ve bu durumda kalır. Çubuğun doğrultusunu değiştirmek için iş yapılması gerekir; bu, sistemin potansiyel enerji saklayabileceği anlamına gelir. Çubuk mıknatısın enerjisi, magnetik momentine, dış alanın şiddetine ve mıknatısın momentinin doğrultusu ile dış alanın doğrultusu arasındaki açıya bağlıdır.

Çizim 1’de kendi ekseni çevresinde dönen yüklü bir parçacığın magnetik vektörü (µ) gösterilmiştir, bu vektör dönme ekseni doğrultusundadır. Çevredeki magnetik alan (H vektörü), vektörünü H ile aynı doğrultuya getirmeye çalışan bir moment uygular; ama bu moment bir yandan da parçacığın açısal momentum vektörü ile etkileşir; bu etkileşim sonucunda, dönme ekseni (ve magnetik moment vektörü) magnetik alan doğrultusu çevresinde bir koni çizecek biçimde yalpalar, bu olaya Larmor yalpalaması denir. Klasik elektrodinamik uyarınca, Larmor yalpalamasının frekansı (bir başka deyişle, µ vektörünün H vektörü çevresindeki saniyede dönme sayısı; bu frekans ©, ile gösterilir) iki vektör arasındaki açıdan (0) bağımsızdır. Ama kuvantum mekaniği uyarınca, bir parçacığın açısal momentumu, temel bir açısal momentum biriminin yalnızca tamsayı katları olâbilir, bu nedenlede bir parçacığın yönlenme açısı ( µ ) ancak belirli kesikli (ayrık) değerlerden birini alabilir. Bunun sonucu olarak, bir magnetik alan içinde dönmekte olan bir yüklü parçacık, belirli sayıdaki kesikli magnetik enerji düzeylerinin birinde bulunabilir.

Magnetik rezonans aygıtlarında güçlü bir sabit magnetik alana (H) ek olarak bir de zayıf ve salınımlı magnetik alan (H’) uygulanır; bu alanın vektörü, sabit ve güçlü alanın doğrultusuna dik bir düzlem içinde w açısal hızıyla dönmektedir. Bu alanın dönme hızı (Ɯ͔) ile yalpalayân parçacığın Larmor frekansı (Ɯ͔L, ) birbirine eşit değilse, iki döner alan aynı fazda olamazlar; parçacığın ekseni bir tam dönüşü sırasında bir itilir bir çekilir, bunun sonucunda da ancak hafifçe yalpalar. Ama bu frekanslar eşitlendiğinde eksene kararlı bir kuvvet etkir. Rezonans denen bu durumda parçacığın yönelme açısı (ve buna bağlı olarak magnetik enerji düzeyi) birdenbire değişir. Bir sistem daha yüksek bir enerji düzeyine yükseltildiğinde uygulanan ek magnetik alandan enerji alınır, bunun tersi de doğrudur.

Manyetik Rezonans Spektrometresi

Magnetik rezonans (MR) deneylerinde rezonansın sezilmesi, bir başka deyişle enerji düzeyindeki değişmenin belirlenmesi gerekir; bu amaçla bu düzey değişmesi sırasında açığa çıkan ya da soğurulan enerji miktarı ölçülür. Magnetik rezonans spektrometresinde ( çizim 2) uygulanan ek magnetik alanın frekansı yavaş yavaş değiştirilirken bu alandan soğurulan enerji sürekli olarak ölçülür ve bir kâğıt şerit üzerine kaydedilir. Böylece elde edilen grafik (tayf), rezonans frekanslarında tepeler içeren düz bir çizgidir. Rezonanslar çok keskin olduğundan grafikteki bu tepeler çok dar ve sivridir, bu nedenle dik çizgiler biçiminde görünürler. Magnetik rezonans tayf çizgileri denen bu çizgiler, optik tayflardaki soğurma ve salım çizgilerine bir ölçüde benzerlik gösterir, ama arada önemli farklar vardır. Madde içindeki spinlerin (fırıl) birbirleriyle ve maddenin öteki serbestlik dereceleriyle etkileşimleri, magnetik rezonansı çok daha karmaşık bir olgu haline getirir; ama bu etkileşimlerin varlığı maddenin incelenmesi açısından önemli olanaklar ortaya çıkarır.

Birçok atom türünde bütün elektronlar eşlenmiş durumdadır, bir başka deyişle bunların spinleri ikişer ikişer birbirlerine ters yönlenmiştir, böylece birbirlerinin etkisini ortadan kaldırırlar. Bazı atom türlerinde ise eşlenmemiş elektronlar bulunur, bu nedenle bu atomlar kuvantumun (doğal kesikli birim) tam katları kadar enerji kazanabilir ya da kaybedebilirler. Aynı olgu birçok çekirdek türünde de gözlenir; bu tür çekirdekler de farklı magnetik enerji düzeylerinde bulunabilirler.

Magnetik rezonans spektrometrelerinde birkaç kilogaussluk magnetik alanlardan yararlanılır (gauss, magnetik indükleme birimidir, magnetik alan şiddeti birimi olarak da kullanılmaktadır; Yer’in magnetik alanının yatay bileşeni yaklaşık olarak 0,2 gauss şiddetindedir). Magnetik alan şiddeti bu düzeyde olduğu zaman, NMR frekansları radyo yayın bandına, EPR frekansları ise mikrodalga ya da radar bandına düşer; örneğin 10 kilogaussluk bir alanda proton NMR frekansı 42,58 MHz, serbest spin EPR frekansı ise 28.000 MHz’dir. Magnetik rezonans aracılığıyla sezilebilecek spin sayısı, uygulanan alanın şiddetine, sıcaklığa, örneğin özelliklerine ve NMR için de çekirdeğin türüne bağlıdır. En elverişli koşullar altında, NMR ile 10,18, EPR ile 10,10 spin sezilebilmektedir.

Nükleer magnetik rezonans

Atom hareketinin bulunmadığı kristal örgülerinde, başka yöntemlerle gözlenmesi olanaklı olmayan molekül yapıları NMR yardımıyla belirlenebilir.

Metallerde iletim elektronlarının (atomlara bağlı olmayan ve metal içinde serbestçe hareket eden elektronlar) spinleri ile uygulanan magnetik alan arasındaki etkileşim, çekirdekleri de etkiler. Bunun sonucunda, çekirdeğin rezonans frekansında, aynı çekirdek yalıtkan bir madde içindeyken gözlenen rezonans frekansına göre bir kayma ortaya çıkar. Bu frekans kaymaları incelenerek, magnetik alınganlığa, enerji düzeylerini tanımlayan kuvantum mekaniği dalga fonksiyonlarına ve metaldeki iletim elektronları düzeylerinin yoğunluğuna ilişkin çok önemli bilgiler elde edilebilir. Üstüniletkenler ile ferromagnetik ve antiferromagnetik maddelerin birçok özellikleri de NMR yöntemiyle incelenebilir.

Sıvılara ilişkin NMR tayf çizgilerinin çok keskin olması, kimyasal frekans kaymalarının ölçülebilmesine olanak sağlar. Kimyasal frekans kayması, aynı atom türünün çekirdek spinlerine ilişkin NMR çizgilerinin atomun molekül içindeki yerine bağlı olarak kaymasıdır. Bu çizgilerin incelenmesiyle, özellikle karmaşık moleküllerin yapısının belirlenmesine yönelik önemli: bilgiler elde edilir.

Çözme gücü yüksek nükleer magnetik rezonans yöntemi, organik kimya ve biyokimya alanında çok önemli bir araç haline gelmiştir. Bu yöntemi kullanan aygıtların çok sıkı bazı koşulları sağlamaları gerekir. Uygulanan magnetik alanın incelenecek örnek içindeki kararlılığı ve homojenliği 10*”de 1 gibi çok yüksek bir değerde olmalıdır. Bu amaçla özel elektromıknatıslar kullanılır, ayrıca örnek, magnetik alan içinde döndürülür. Çözme gücünün yükseltilmesi için gereken çok güçlü magnetik alanlar (100 kilogaussun üstünde) ancak bobinleri üstüniletkenli elektromıknatıslarla elde edilebilir.

Güneş püskürmelerinin Yer’in üst atmosferinde yol açtığı tedirginliklere yol açan olay

 

Proton spinlerinin bir magnetik alan içindeki yalpalama frekansı ölçülerek magnetik alanın şiddeti büyük doğrulukla belirlenebilir. Bu yöntemle alan şiddeti belirlenmesinde 1.000.000’da 1 gibi çok yüksek doğruluk derecelerine erişilebilmekte ve alan şiddetindeki 10 -8 gaussluk değişimler bile sezilebilmektedir. Yeryüzünde’ve uzayda magnetik alan şiddetinin belirlenmesinin ötesinde. bu yöntemle, magnetik alanda değişmeye yol açan olguların (örn. denizaltılar. kar altında gömülü kalan kayakçılar, arkeolojik kalıntılar, maden yatakları) sezilmesi olanaklı olmaktadır.

Elektron paramagnetik rezonansı.

Nükleer magnetik rezonansın tersine, elektron paramagnetik rezonansı (EPR) ancak bazı madde türlerinde görülür; bunlar arasında geçiş elementleri (dolu olmayan iç elektron. kabuğu içeren elementler), serbest kökler (molekül bölümleri), metaller, paramagnetik kusurlar ve katışkı merkezleri sayılabilir. NMR’de rezonans frekansları, iletim elektronları, kimyasal kayma vb. gibi etkilerle çok küçük miktarlarda kaymalar gösterirken, EPR frekansları büyük değişmelere uğrayabilir; bunun nedeni atomdaki dolu olmayan iç kabukların, madde içinde ortaya çıkan etkileşimlerin sonucu olarak, kolay: lıkla biçim bozulmasına uğrayabilmesidir. Elektron paramagnetik rezonansı, maddenin mikroskopik yapısına ilişkin ayrıntılı nicel betimlemeleri olanaklı kılmıştır.

Hem EPR, hem de NMR sergileyen maddelerde bu rezonansları birlikte incelemek önemli yararlar sağlar. Bu incelemede, genellikle rezonanslardan biri (salınımlı bir magnetik alan etkisiyle) oluşturulur, öteki ise sezme yöntemiyle gerçekleştirilir. NMR oluşturup bunun EPR üzerindeki etkilerini inceleme yöntemine elektron-nükleer çifte rezonans (), EPR oluşturup NMR’nin gözlenmesi yöntemine ise dinamik nükleer kutuplanma () denir.

No Responses

  1. A.Arif Efler 19 Ekim 2019

Sen de birkaç kelam et...

Select Language