Vraag:
Waarom zijn overtollige kernen nodig om een ​​NMR-signaal te produceren?
Eli Jones
2020-05-24 02:49:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Bij NMR is een overmatige populatie kernen vereist om een ​​signaal te produceren. Als verzadiging wordt bereikt (hetzelfde aantal kernen in de α- en β-toestand) kan geen netto signaal worden geproduceerd. Er wordt een signaal geproduceerd wanneer een radiofrequentie ervoor zorgt dat één toestand (kan α of β zijn) omkeert. Tijdens het proces van omkering wordt het netto oscillerende elektrische veld van de kernen naar het xy-vlak gekanteld totdat ze een relaxatie ondergaan naar de omgekeerde toestand. Zelfs als een bepaalde set kernen verzadigd is, zullen ze nog steeds resonantie ondergaan, waardoor een oscillerend elektrisch veld in het xy-vlak wordt geproduceerd. Dit moet detecteerbaar zijn; het is echter niet. Ik vermoed dat dit komt doordat de oscillerende elektrische velden elkaar opheffen (aangezien ze optreden voor zowel de α- als de β-toestand). Dit zou resulteren in het opheffen van het netto elektrische veld; ik ben echter niet zeker van mijn gok.

Twee antwoorden:
orthocresol
2020-05-24 10:17:10 UTC
view on stackexchange narkive permalink

"Er wordt een signaal geproduceerd wanneer een radiofrequentie ervoor zorgt dat één toestand (kan α of β zijn) omkeert"

Dit is niet correct. Het is echt niet, ook al wordt het op die manier vaak verkeerd beschreven. De realiteit is gecompliceerder, en het omvat het begrijpen van QM en het feit dat enkele spins niet noodzakelijk bestaan ​​in $ \ alpha $ of $ \ beta $ staten (elke superpositie daarvan is toegestaan). Zie mijn antwoord hier voor meer details.

Zonder al te veel in detail te treden, kunnen populatieverschillen * worden gebruikt om coherenties , die verantwoordelijk zijn voor het genereren van het gedetecteerde signaal. Als we een gegeneraliseerde golffunctie construeren, met twee verschillende coëfficiënten van de twee toestanden, nl.

$$ | \ psi \ rangle = c_ \ alpha | \ alpha \ rangle + c_ \ beta | \ beta \ rangle $$

dan kunnen coherenties (losjes) worden begrepen als een oscillatie van de coëfficiënten $ c_ \ alpha $ en $ c_ \ beta $ . We kunnen bijvoorbeeld

$$ \ begin {align} c_ \ alpha & = \ cos (\ omega t + \ phi) \\ c_ \ beta & hebben = \ sin (\ omega t + \ phi) \ end {align} $$

wat betekent dat de coëfficiënten, en dus de golffunctie $ | \ psi \ rangle $ , oscilleren met een bijbehorende frequentie $ \ omega $ en een fase $ \ phi $ . Dit genereert een signaal in het uiteindelijke spectrum met de frequentie $ \ omega $ . Dit soort oscillatie heeft niets te maken met het omdraaien van individuele spins van $ | \ alpha \ rangle $ naar $ | \ beta \ rangle $ . In NMR hebben individuele spins inderdaad helemaal geen betekenis. Alleen het bulkgedrag van de $ \ sim10 ^ {20} $ spins in uw steekproef is van belang.

Hoe verhoudt dit zich tot populatieverschillen? Om een ​​samenhang te genereren, is er een aanvullende vereiste dat er voor het gehele ensemble van spins een correlatie is tussen spins in de fase $ \ phi $ .

Een goede analogie zou zijn om een ​​verzameling ( $ \ sim10 ^ {20} $ ) analoge klokken aan de muur te hebben . Elk van deze oscilleert met een snelheid van één omwenteling per 12 uur, aangezien elke klok elke 12 uur terugkeert naar dezelfde tijd. Als je alle klokken tegelijkertijd zou starten, zouden ze (grotendeels) synchroon blijven met elkaar en zou je een vrij goed idee kunnen hebben van hoe laat het is nu. Aan de andere kant, als ze allemaal niet synchroon met elkaar begonnen, zou je geen enkele hoop hebben om te vertellen hoe laat het was.

Dit is de echte sleutel tot begrip waarom er behoefte is aan bevolkingsverschillen. Zonder een populatieverschil kun je oscillerende spins genereren, maar elk van hen heeft een volledig willekeurige fase en er is dus geen correlatie tussen hen. Bijgevolg wordt het nettosignaal opgeteld tot nul.

Ik wil niet dieper gaan omdat het heel, heel lang zal worden, en ook omdat het op een manier is bedekt die beter is dan ik ooit kan doen. Zie: James Keeler's boek op Bronnen voor het leren van scheikunde.


* Zoals ik eerder heb gezegd, mogen populaties niet worden geïnterpreteerd als de werkelijk aantal deeltjes in een specifieke eigentoestand, maar eerder het ensemblegemiddelde van de coëfficiënt die overeenkomt met de specifieke eigentoestand in de golffunctie. Met andere woorden, als elke draai de status $ | \ psi \ rangle = c_ \ alpha | \ alpha \ rangle + c_ \ beta | \ beta \ rangle $ heeft, dan hebben we $ n_ \ alpha = \ overline {c_ \ alpha ^ * c_ \ alpha} $ waar de balk een gemiddelde aangeeft over alle spins in het ensemble.

Buck Thorn
2020-05-25 08:59:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Het NMR-signaal wordt gegenereerd door magnetisatie dat oscilleert in het transversale referentievlak van het experiment (orthogonaal op het hoofdveld). De oscillatie veroorzaakt een wisselstroom in een opnemerspoel.

Vanuit een klassiek perspectief wordt een oscillerende transversale magnetisatie gegenereerd door een initiële longitudinale magnetisatie waarop een koppel wordt toegepast door de magnetisatie te koppelen aan een orthogonaal RF-veld. Wanneer de magnetisatie door het HF-veld op het transversale vlak wordt getipt, begint het te roteren rond het belangrijkste B-veld bij de Larmor-frequentie. Als de toegepaste RF-frequentie overeenkomt met de Larmor-frequentie, worden de magnetisatie en het RF-veld resonant. Door deze resonante koppeling kan de magnetisatie op het dwarsvlak worden geroteerd, waardoor een waarneembare magnetisatie in het vlak wordt gegenereerd. Een klassieke behandeling van de fysica is mogelijk met behulp van de Bloch-vergelijkingen zonder QM te hoeven aanroepen, maar veel belangrijke details van het NMR-fenomeen ontbreken dan.

Als er geen verschil is in de Zeeman-populaties (die van $ \ alpha $ en $ \ beta $ staten voor spin-1/2), dan is er geen netto longitudinale magnetisatie en dus niets om te kantelen of waar te nemen.



Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 4.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...