История открытия ядерно-магнитного резонанса ЯМР и развития ЯМР-томографии

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по курсу «История  методология технической физики»

Реферат

«История открытия ядерно-магнитного резонанса ЯМР  и развития ЯМР-томографии»

 

 

 

 

Содержание:

 

 

Введение:

     До недавнего времени основой наших представлений о структуре атомов и молекул служили исследования методами оптической спектроскопии. В связи с усовершенствованием спектральных методов, продвинувших область измерений в диапазон сверхвысоких  (до  10⁶ МГц) и высоких частот, появились новые источники информации о структуре вещества.

 При поглощении и испускании  излучения  для таких частот  происходит тот же процесс,  что и в других диапазонах  электромагнитного спектра, а именно при переходе с одного энергетического уровня на другой система поглощает или  испускает  квант энергии.

Ядерный магни́тный резона́нс (ЯМР) — резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть  также много возможностей определять конформацию молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения и др.

Существование ядерных моментов впервые  было обнаружено при изучении сверхтонкой  структуры электронных спектров некоторых атомов с помощью оптических спектрометров с высокой разрешающей способностью.

    Сверхтонкая структура  атомных спектров навела Паули  в 1924 г. на мысль о том,  что некоторые ядра обладают  моментом количества движения (угловым  моментом), а, следовательно, и магнитным моментом, взаимодействующим с атомными орбитальными электронами. Впоследствии эта гипотеза была подтверждена спектроскопическими измерениями, которые позволили определить значения угловых и магнитных моментов для многих ядер.

 

Сегодня число Нобелевских премий по физике за исследования (открытия) в области магнитного спинового резонанса к 2003 г. сравнялось с числом Нобелевских премий по физике, химии и медицине за разработку и реализацию эффективных методик применения магнитного резонанса.

 

    Помимо того, что  метод ЯМР  применяется в химии для исследования молекулярного и надмолекулярного строения вещества; структура макроскопических объектов также изучается методами магнитной томографии (МРТ) в случае биологических объектов и организмов магнитной резонансной интроскопии (МРИ). Метод МРИ незаменим в современной медицине. Так как позволяет проводить исследования в любой плоскости, обеспечивает отличный контраст между разными типами ткани,  что предоставляет возможность для улучшенной диагностики заболеваний органов нервной, опорно-двигательной, сердечно-сосудистой систем, а также в онкологии.

 

 

1. История открытия ЯМР. Обзор литературы

1.1. Ранняя ("доспиновая" и "доядерная") предыстория

 

Публикацию теоремы Лармора в 1896 году можно считать началом предыстории магнитного резонанса. Джозеф Лармор (1857-1942) рассмотрел систему вращающихся с постоянной скоростью частиц, обладающих электрическими зарядами и массой, в магнитном поле. Система имеет и механический момент количества движения L и, как кольцо с электрическим током, магнитный дипольный момент М

  Гиромагнитное отношение у = M/L для электронов с зарядом е и массой т_е в гауссовой системе согласно Лармору выражается в виде и линейно зависит от внешнего поляризующего поля.

  Решающее влияние на будущее открытие магнитного резонанса оказало открытие эффекта Зеемана - расщепление линий оптического спектра в магнитном поле. Питер Зееман (1865-1943) в Лейденском университете в 1896 г. наблюдал расщепление спектральных линий дублета D₁₂ в парах натрия. В 1897 г. наблюдаемое расщепление истолковал Х. Лоренц (1853 -1928). Детальное изложение классической модели Лоренца "воздействия внешнего магнитного поля на электронные токи" сохранилось в известном учебнике Г.С. Ландсберга. Исследования эффекта Зеемана в первые десятилетия XX в. явились важным вкладом в основание квантовой теории и теории спина.

  Модель Лармора-Зеемана-Лоренца подтвердила зависимость магнитных эффектов в спектрах от напряжённости поля и от параметра е/(тс). Взаимодействие спинов с внешним магнитным полем получило название зеемановского взаимодействия.

 

  "Молекулярные токи" Ампера, можно сказать, воплотились в электронных орбитах атома по Бору. В 1920 г В. Паули ввёл понятие магнетона Бора : значение элементарного магнитного момента (для электрона, на нижней орбите атома водорода) равно

 

Понятие магнетона в дальнейшем было распространено на магнитные моменты нуклонов и ядер. Так называемый ядерный магнетон равен

 

Магнитный момент протона равен примерно 2,67 , а магнитный момент

нейтрона также отличен от нуля (что, конечно, не согласуется с классической моделью Лармора) и равен примерно  1,91 . Эти значения многократно уточнялись методами магнитного резонанса.

  Важный вклад в формирование теоретического арсенала магнитного резонанса внесли работы 1919 -1921 гг.в том числе более поздняя работа немецкого физика Альфреда Ланде (1888-1975). В этих работах введено понятие о взаимодействующих между собой магнитных моментах разной природы. При слабой связи между моментами (в сильных полях) каждый сорт магнитных моментов взаимодействует с магнитным полем независимо. В сильно связанной системе моментов(в слабом поле) имеется один эффективный магнитный момент,

 

В 1922 г. в экспериментальных исследованиях магнитных квантовых эффектов был достигнут ключевой результат. Немецкие физики О. Штерн (1888-1969) и В. Герлах (1889 -1979) добились пространственного разделения пучка атомов (в первом опыте это были атомы серебра) в магнитном поле на два пучка с различными ориентациями магнитного момента.

Эта работа предвещала открытие спина  электрона, равного S = 1/2, и, если заглянуть ещё дальше вперёд, предвещала также возможность получения системы с отрицательной температурой путём пространственной селекции состояния с более высокой энергией (впоследствии это было реализовано в водородном генераторе Н. Рэмси и др. в 1960 г.).

  Но  прежде всего, подсказала возможность магнитного резонанса, так как продемонстрировала существование состояний, различающихся только ориентациями магнитного момента. Эту возможность сразу отметили А. Эйнштейн и П. Эренфест [28]. Если есть два состояния с различными энергиями, то, значит, имеются и квантовые переходы между ними, спонтанные и индуцированные, поскольку "характерная для классической модели ларморовская  прецессия не сопровождается изменением энергии моментов в магнитном поле".

  Нужно отметить, что исследования гиромагнитных эффектов в ферромагнетиках (А. Эйнштейн и В. де Гааз) и дисперсии электромагнитных волн в ферромагнетиках(В.К. Аркадьев, Р. Лоярте) проводились до начала поисков магнитного резонанса и практически независимо от этих поисков. Также до открытия магнитного резонанса, хотя значительно позднее, вышла работа Ландау и Лифшица, в выводах которой можно усмотреть макроскопический эффект ферромагнитного резонанса.

В течение 1920-1925 гг. "дозревала" идея спина. Зоммерфельдом и др. интенсивно изучались α-спектры возбуждённых атомов, в том числе, в магнитном поле. Комптон высказывал идею о собственном магнитном моменте электрона, исходя из данных эксперимента по рассеянию рентгеновских лучей, указывающих на то, что при намагничивании кристалла ферромагнетика никакой перестройки электронных орбит не происходит. Авторами идеи "вращающегося электрона" с магнитным моментом=μ_B, и g-фактором =2, стали С. Гаудсмит (1902-1979) и Г. Уленбек (1900-1988), не без влияния работ В. Паули, Р. Кронига и др.

Нерелятивистская теория спина была развита В. Паули, теория Дирака обосновала неизбежность существования спина у релятивистского электрона. Энрико Ферми, пользуясь уравнениями Дирака, создал теорию скалярных магнитных сверхтонких взаимодействий (СТВ) спинов (магнитных моментов) электрона S и ядра I и вычислил значение СТВ для основного состояния электрона в атоме водорода;  такое взаимодействие в литературе называют ферми-взаимодействием ^SI (оно же скалярное или контактное). Вскоре понятие спина заняло важнейшее место в физике микромира и конденсированного состояния.

 

1.2. История открытия электронного парамагнитного резонанса

или  «в погоне» за ядерными магнитными моментами

 

Порядок величины протонного магнитного момента к началу 1930-х годов был уже известен из опытов по теплоёмкости водорода при низких температурах, но точное значение магнитных моментов других ядер оставалось в области догадок. Отто Штерн вместе с Иммануэлем Эстерманом (1900-1973) и Отто Фришем (1904-1979) в 1933 г. опубликовали результаты опытов с пучками молекул (изотопомеров водорода: Н2, HD, D2) в вакууме и сортировкой этих частиц по энергиям взаимодействия с магнитным полем аналогичных опытам для атомными пучков.

В 1936 г. харьковские физики из Украинского физико-технического института (УФТИ) Б.Г. Лазарев и Л.В. Шубников (1901 -1938) измерили вклад протонов в намагниченность твёрдого водорода.

Лаборатория Раби стала первой в мире, зафиксировавшей возбуждаемый радиочастотным полем переход между состояниями в пространственно разделённых пучках. В опытах Раби резонанс впервые был получен на ядрах изотопа Li7. Затем последовали другие наблюдения резонанса ядер Li7 , Li6, К39, О35. В той же лаборатории были уточнены методами магнитного резонанса значения магнитных моментов Н1 и Н2, установлены значения электрического квадрупольного момента ядра дейтерия и значения зеемановских взаимодействий и скалярных (сверхтонких) взаимодействий неспаренного электрона в атомах щелочных металлов с их ядрами. В последних работах впервые в атомных пучках наблюдался электронный парамагнитный резонанс с его сверхтонкой структурой, обусловленной взаимодействиями с ядерными спинами в разных ориен-тациях.

Парадоксально, что К. Гортер с сотрудниками после неудачи с ЯМР не пытались наблюдать ЭПР. Они измеряли зависимость поглощения энергии переменного магнитного поля парамагнетиками от напряжённости постоянного поля в полях, слишком сильных (на частотах слишком низких) для наблюдения ЭПР. В 1942 г. Гортер и Л. Брур снова проводили поиски ЯМР, применяя чувствительный радиофизический метод обнаружения резонансного поглощения . Это метод реакции генератора, один из вариантов которого Е.К. Завойский назвал методом "сеточного тока".

К началу 1940-х годов, помимо упомянутых уже работ по парамагнитной релаксации и наблюдения ЭПР в атомных пучках, были выполнены важнейшие работы, которые вскоре составили фундамент теории ЭПР соединений переходных элементов. Это работы Х. Бете,

Х. Крамерса, Дж. Ван Флека и другие работы по теории действия окружения ("кристаллического поля") на парамагнитные ионы; о парамагнитной релаксации и др.

Погоня за резонансом ядерных магнитных моментов в веществе была прервана мировой войной, однако открытие ЭПР в конденсированных средах произошло ещё до окончания войны.

В начале 1940 г. на физическом факультете Казанского Государственного Университета возник тройственный союз: физик-экспериментатор — Е. К. Завойский, талантливый теоретик С.А. Альт-Шулер и физико-химик Б. М. Козырев. Их целью был ЯМР. Завойский планомерно выполнял эксперименты по обнаружению магнитных резонансов в это время начали проявляться сигналы (очевидно, ЯМР-протонов), однако военная комиссия прибывшая в казань переформировала его лабораторию, вынудив изменить научные планы. Изменение условий эксперимента автоматически вывело команду Завойского на путь, облегчающий наблюдение ЭПР, который при той же частоте должен наблюдаться для свободного электрона в магнитном поле с напряжённостью примерно в 658,5 раз меньшей, чем напряжённость этого поля в случае магнитного резонанса протонов. «Парадокс Колумба»-  Завойский искал ЯМР а нашел  ЭПР.

 

И в июле 1944 г он представил в Физический институт АН СССР (ФИАН) докторскую диссертацию "Парамагнитная абсорбция в перпендикулярных и параллельных полях для солей, растворов и металлов". Истолкование довольно широких пиков поглощения в перпендикулярных полях как спинового резонанса вызвало недоверие экспертов из ФИАНа-диссертация несколько месяцев не ставилась на защиту. Это побудило Завойского обратиться в другой авторитетный центр — в Институт физических проблем (ИФП), где его результаты были повторены вместе с Шальниковым А. И.  Так взаимопомощь советских физиков позволила довести до логического завершения первый этап работ по открытию и исследованию электронного парамагнитного резонанса. 30 января 1945 г. диссертация Завойского была успешно защищена.

 

1.3. Открытие ядерного магнитного резонанса

Спустя всего полгода после защиты докторской диссертации Е.К. Завойским,  осенью 1945 в США в двух лабораториях физики приступили к поискам ядерного магнитного резонанса в конденсированной среде. Американские физики после перерыва на участие в оборонных проектах вернулись в прекрасные лаборатории, имея к своим услугам широкий выбор оборудования и широкие возможности для сотрудничества с коллегами. Вспоминая о небольшом магните Дюбуа с поперечником зазора в несколько сантиметров в установке Завойского, заметим, что Э. Пёрселл, Х. Торри и Р. Паунд (физики из МТИ) использовали магнит с однородным полем, ранее применявшийся для исследований заряженных частиц в космических лучах, а Ф. Блох с соавторами применили магнит циклотрона. Образцом для наблюдения протонного магнитного резонанса в лаборатории Пёрселла служил примерно 1 кг (объёмом порядка 1 дм3) парафина. Образец помещали в резонатор, включённый в сбалансированную (мостовую) радиочастотную схему, и ожидали нарушения баланса при возбуждении магнитного резонанса за счёт изменения радиочастотной комплексной восприимчивости ядерных моментов в условиях резонанса. По совету И. Раби экспериментаторы выдержали образец в магните целую ночь, для того чтобы "намагнитить" протоны парафина (ожидалось, что время релаксации равно нескольким часам, если не суткам, фактически оказалось — нескольким минутам). Сначала сигнал не появился. Сказалась ошибка в градуировке магнита. Но когда ток установили на максимальное значение и начали постепенно его снижать, измерительный прибор вздрогнул... Это было первое в мире уверенное наблюдение ЯМР в веществе.