תהודה מגנטית גרעינית – הבדלי גרסאות

תוכן שנמחק תוכן שנוסף
ויקישיתוף בשורה
שורה 1:
{{שכתוב|סיבה=חלקים מהערך כתובים כהרצאה ולא כערך אנציקלופדי. יש כפילות חלקית עם התוכן של [[הדמיית תהודה מגנטית]]|נושא=מדעי הטבע}}
[[תמונהקובץ:NMR-Spectrometer.JPG|ממוזער|]]
'''תהודה מגנטית גרעינית''' ('''תמ"ג'''; ב[[אנגלית]]: '''NMR''', ראשי תיבות של '''Nuclear Magnetic Resonance''') היא תופעה [[פיזיקה|פיזיקלית]] המערבת תגובה בין [[גרעין האטום]] המצוי ב[[שדה מגנטי]] קבוע, חיצוני, לבין שדה אלקטרומגנטי המשתנה ב[[תדירות]] מסוימת המתאימה לתדר התהודה של החומר הנבדק . תנאים [[מגנט|מגנטיים]]יים ב[[חומר]] עצמו נמדדים על ידי בחינת ה[[קרינה]] הנפלטת מן הגרעין האטומי.
מכשיר ה-NMR משמש בעיקר לזיהוי המבנה האטומי והמולקולרי של חומרים כימיים שונים.
 
שורה 7:
לגרעינים של אטומי כל היסודות יש מטען חשמלי, שמקורו במטען החשמלי של הפרוטונים שבגרעין. לחלק מן הגרעינים יש גם [[מומנט מגנטי]] - כלומר, הם מתנהגים כאילו יש בתוכם מעגל אינפיניטסימלי של זרם.{{הערה|1=כידוע, [[שדה מגנטי|שדות מגנטיים]] נוצרים אך ורק על ידי [[זרם חשמלי|זרמים חשמליים]].}} לקיומו של המומנט המגנטי יש שתי תוצאות: ראשית, המומנט עצמו מייצר [[שדה מגנטי]] בחלל, ושנית, המומנט מושפע משדות מגנטיים חיצוניים. מקור המומנט המגנטי של הגרעין הוא ה-[[ספין]] (תנע זוויתי אינהרנטי) של ה[[נוקליאון|נוקליאונים]] שבתוכו - [[פרוטון|פרוטונים]] וגם [[נייטרון|נייטרונים]]. לרוב הגרעינים אין מומנט מגנטי, כי הנוקליאונים באים בזוגות, ולכן, מאזנים זה את המומנט המגנטי של זה. אבל בגרעינים מסוימים, כגון [[מימן]] (שיש לו רק פרוטון אחד), [[זרחן]], [[פחמן]]-13 וכיוצא באלה, יש לגרעין מומנט מגנטי שונה מאפס.
 
תופעת ה-NMR קיימת בחומר שלגרעין שלו יש מומנט מגנטי. בהיעדר שדה מגנטי חיצוני, חומר כזה לא מראה שום תכונות מגנטיות (אין לו מגנטיזציה כוללת (bulk magnetization)), מאחר שהמומנטים המגנטיים מתאזנים הדדית (היות שהם מכוונים אקראית במרחב). אם מסמנים את המומנט המגנטי של גרעין מסוים כ <math>\mu_i</math> אז
<math>{\vec M}=\sum\mu_i=0</math>
אבל, אם מניחים חומר כזה בתוך שדה מגנטי חיצוני, מושרית בו מגנטיזציה כוללת שונה מאפס, מאחר שבמצב זה, לכל מומנט יש יותר סיכוי להצביע במקביל לשדה, ונוצר לפיכך, כיוון מועדף. לפי [[משוואת לנז'בין]] ([[:en:Langevin equation]]) המיגנוט שווה ל:
שורה 14:
<math>M\simeq\frac{N\mu^2B}{3kT}</math>
 
אם מאלצים מגנטיזציה <math>{\vec M}</math> בניצב לשדה המגנטי (המסומן ב <math>{\vec B_0}</math>), ניתן להוכיח מחוק שימור התנע הזוויתי כי המגנטיזציה <math>{\vec M}</math> תסתובב מסביב ל <math>{\vec B_0}</math>. במקרה זה, תדר הסיבוב של המגנטיזציה (המסומן ב <math>\nu</math>) הינו פונקציה לינארית של עוצמת השדה המגנטי החיצוני וערכו הוא:
<math>\nu=\frac{\gamma}{2\pi}\cdot B_0</math>
המספר <math>\frac{\gamma}{2\pi}</math> נקרא ''היחס הג'ירומגנטי'' (gyromagnetic ratio) והוא שונה מיסוד ליסוד. עבור מימן <math>\frac{\gamma}{2\pi}=4257</math> הרץ ל[[גאוס (יחידת מידה)|גאוס]]. תדר זה נקרא [[תדר לרמור]] והסיבוב נקרא [[נקיפה]] חופשית. מהנ"ל אפשר להסיק שעבור מימן (מים או שומן) שנמצא בשדה מגנטי של 0.5 [[טסלה]]{{הערה|1=שדות מגנטיים נמדדים ביחידות של [[גאוס (יחידת מידה)|גאוס]] או [[טסלה]]. [[טסלה]] אחד שווה ל-10,000 [[גאוס (יחידת מידה)|גאוס]].}} תדר לרמור הוא 21.285 מגהרץ.{{הערה|1=הרץ=סיבוב לשנייה. מגהרץ=מיליון סיבובים לשנייה.}}
 
כיצד מגיעים למצב שהמגנטיזציה <math>{\vec M}</math> ניצבת ל <math>{\vec B_0}</math> אם מטבעה המגנטיזציה <math>{\vec M}</math> מקבילה ל <math>{\vec B_0}</math>? כאן נכנס האלמנט השני של ה-NMR, והוא פולס ה-RF. ניתן להוכיח שבנוכחות שדה מגנטי נוסף (שמסומן <math>{\vec B_1}</math>) שכיוונו מסתובב מסביב לכיוון <math>{\vec B_0}</math> בתדר לרמור, אזי המגנטיזציה <math>{\vec M}</math> (שהייתה בהתחלה מקבילה ל <math>{\vec B_0}</math>) תתחיל לנטות מהכיוון של <math>{\vec B_0}</math> בקצב קבוע. פולס של <math>90^0</math> הוא שדה <math>{\vec B_1}</math> שעוצמתו/משכו גורמים ל <math>{\vec M}</math> לנטות ב <math>90^0</math> מכיוון <math>{\vec B_0}</math>. כלומר, להיות ניצב ל-<math>{\vec B_0}</math>. אחרי סיום הפולס (כשאין עוד שדה <math>{\vec B_1}</math>) אז המגנטיזציה <math>{\vec M}</math> ממשיכה לבצע נקיפה חופשית בתדר לרמור. פעולה זאת של <math>{\vec B_1}</math> פועלת אך ורק אם תדר הסיבוב של <math>{\vec B_1}</math> שווה לתדר לרמור. כלומר, זוהי תופעה של [[תהודה]] (resonance). בשדה מגנטי של 1.5 [[טסלה]] שימוש במשוואת לרמור מראה שהתדר שווה ל-63.855 מגהרץ. תדר זה נמצא בתחום [[גלי רדיו|גלי הרדיו]], ולכן השדה המשודר נקרא ''פולס RF''.
 
לסיכום, לתדר לרמור יש שתי משמעויות:
שורה 24:
* הוא תדר הסיבוב של שדה מגנטי שני הגורם להטיית כיוון המגנטיזציה מכיוונו של השדה המגנטי החיצוני.
 
אחרי סיום הפולס, המגנטיזציה <math>{\vec M}</math> ממשיכה לבצע נקיפה רגילה מסביב לכיוון <math>{\vec B_0}</math> בתדר לרמור. עם הזמן, המגנטיזציה <math>{\vec M}</math> חוזרת לכיוון <math>{\vec B_0}</math>. אם נציין את הכיוון של <math>{\vec B_0}</math> באות z אזי המגנטיזציה האורכית (בכיוון z) דועכת בחזרה בקצב ''אקספוננציאלי'', היינו:
 
<math>M_{z}(t)=M_{0} \cdot (1-\exp{(-\frac{t}{T_1})})</math>
שורה 50:
עקרון התהודה המגנטית הגרעינית בנוי על הבדל זה בין שתי האוכלוסיות (אלפא ובטא): כאשר מקרינים את כל הגרעינים בקרינה אלקטרומגנטית בתדירות בה האנרגיה של כל פוטון שווה להפרש האנרגטי בין שני המצבים, המצב האנרגטי הנמוך - אלפא עובר עירור למצב בטא. במילים אחרות: מספקים לו אנרגיה שהיא בדיוק מספיקה לסובב אותו ממצב מקביל לשדה למצב נגדי אליו. כאשר הקרנת הגרעינים מסתיימת מתחיל תהליך רלקסציה של הגרעינים המעוררים - תהליך שבו הם חוזרים למצב שלפני ההקרנה. במהלך חזרת גרעיני אלפא למצב ההתחלתי שלהם הם פולטים פוטונים (באותה אנרגיה שנדרשה להעלות אותם למצב בטא).
 
העיקרון הפיזיקלי של [[תהודה]] מגנטית גרעינית הוא הבסיס ל[[הדמיית תהודה מגנטית]], המשמשת ב[[רפואה]] לצורכי אבחון. [[מכשיר|מכשירי]]י NMR משמשים רבות לזיהוי חומרים, במיוחד [[תרכובת אורגנית|אורגניים]], ב[[כימיה אנליטית]].
 
==שימושים==
 
===הדמאה מבוססת תהודה מגנטית===
 
שורה 93 ⟵ 92:
 
==קישורים חיצוניים==
{{ויקישיתוף בשורה}}
 
* עופר בן חורין, [http://fmri.co.il/?page_id=47 פיזיקת NMR-MRI – בדיקה בתהודה מגנטית]
* [[זאב לוז]], [http://www.snunit.k12.il/heb_journals/mada/282062.html דימות אדם - בעזרת תהודה מגנטית גרעינית], "מדע", כרך כ"ח 2.