i

Aktuální číslo:

2024/6

Téma měsíce:

Éčka

Obálka čísla

Jak řídit jaderný kompas?

Počítače navrhují nové experimenty v magnetické rezonanci
 |  29. 5. 2023
 |  Vesmír 102, 330, 2023/6
 |  Téma: Signál a šum

Nukleární magnetická rezonance (NMR) je nepostradatelný nástroj pro studium látek všech skupenství. Propojuje v sobě fyziku, elektrotechniku, kvantovou mechaniku, datovou analýzu, chemii a čím dám tím více také biologii a lékařství. V poslední době začíná přibývat prací spojujících NMR a numerické simulace. Ty především v NMR pevné fáze pomáhají vysvětlit chování komplexních systémů jaderných spinů, a jak popisujeme v tomto článku, usnadňují také návrh nových, ještě citlivějších technik.

Řada částic v kvantovém světě má kromě elektrického náboje a hmotnosti ještě jednu zásadní vlastnost: spin. Ten se u částic projevuje, jsou-li umístěny do magnetického pole. V takovém případě můžeme částice odlišit podle orientace jejich spinu vzhledem k magnetickému poli. Této vlastnosti si na příkladu elektronu v atomu stříbra povšimli Otto Stern s Waltherem Gerlachem již v roce 1922 ve známém experimentu, v němž se proud částic rozdělí podle orientace spinu do dvou různých směrů [1]. Dva možné pozorované stavy, spin orientovaný ve směru magnetického pole (stav ↑) a spin orientovaný opačně (stav ↓), se od sebe liší energií. Ten energeticky výhodnější je také o něco častější.

Daleko méně známé je, že vlastní spin mají také mnohá atomová jádra, i když jeho velikost je o necelé tři řády nižší. I u jader se v silném magnetickém poli projeví větší populace spinů orientovaných v souladu s magnetickým polem, vzorek se zmagnetuje, indukuje se makroskopický magnetický dipól. Takovýto jaderný magnet (popsaný tzv. vektorem magnetizace) se však zároveň chová jako dětská káča (respektive gyroskop) a po vychýlení (excitaci) z rovnováhy rotuje kolem osy vnějšího pole stejně jako osa nakloněné roztočené káči. Frekvence rotace odpovídá energetickému rozdílu mezi stavy ↑ a ↓. S magnetizací můžeme manipulovat pomocí elektromagnetických pulzů (v radiofrekvenční oblasti spektra) a také můžeme snímat její otáčení pomocí magnetické indukce (princip alternátoru v elektrárnách – otáčející se magnet indukuje měřitelný elektrický proud v cívce). Spektroskopické technice práce s jaderným spinem se říká nukleární (nebo jaderná) magnetická rezonance (NMR, Nuclear Magnetic Resonance) nebo přesněji pulzní NMR.

Energetické rozdíly, a tedy i pozorovaná frekvence signálu závisejí především na magnetickém poli a povaze izotopu, který zkoumáme. Ze stabilních izotopů má největší energetický „rozštěp“ v magnetickém poli jádro vodíku 1H. Jeho frekvence odpovídá v běžně používaných magnetických polích zhruba frekvenci pozemního televizního vysílání.

Nyní vidíte 19 % článku. Co dál:

Jsem předplatitel, mám plný přístup
Jsem návštěvník
Chci si přečíst celé číslo
Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru. Více o předplatném
TÉMA MĚSÍCE: Signál a šum
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika, Chemie

O autorech

Jan Blahut

Zdeněk Tošner

Další články k tématu

Signál a šum ve fyzice částic

Ve vědách je šum – na rozdíl od české státní hymny – nežádoucím jevem provázejícím každé měření. Není to však jediná obtíž, s níž se musí...

Zvuk a jeho kvalityuzamčeno

Většina z nás žije celý život obklopena zvukem. Někdy by se chtělo říci hlukem, ale je zřejmé, že některé zvuky jsou pro nás žádoucí, ba i...

Data, signál a šum

Signál je informace, která nás zajímá. Informace, která nás nezajímá, je šum: pozadí, odpad a nepříjemnost. Jak se vlastně rozhodujeme, co je co?...

Hledání galaxií v kupce šumuuzamčeno

Analogová rádia byla kdysi téměř nepostradatelnou výbavou domácnosti. Před érou streamované hudby museli poslechuchtiví uživatelé naladit rádio...

Signál a šum v DNAuzamčeno

Genetická informace všech živých organismů, alespoň jak známe život tady a teď, je uložena v molekule DNA, deoxyribonukleové kyseliny. Abeceda DNA...

Doporučujeme

Genová terapie ALS: jsme na začátku naděje

Genová terapie ALS: jsme na začátku naděje

Je to krutá a zatím nevyléčitelná nemoc. Amyotrofická laterální skleróza. Americká léková agentura FDA však nedávno schválila pro medicínskou...
(Ne)umělá sladidla

(Ne)umělá sladidla uzamčeno

Adam Obr  |  3. 6. 2024
Když loni v létě zařadilo WHO aspartam na seznam látek, které mají potenciál způsobovat rakovinu, dosáhla diskuse o škodlivosti nekalorických...
Příběhy řasových éček

Příběhy řasových éček

Richard Lhotský  |  3. 6. 2024
Přídatné látky v potravinách, familiárně přezdívané pro svůj kód éčka, vzbuzují u řady lidí obavy a strach. Přesto se mezi nimi najdou i látky...