Основы ЯМР
В сети Интернет в данный момент достаточно мало информации, где на простых практических опытах демонстрируется явление ЯМР, для не сильно подготовленной аудитории, например, для радиолюбителей. Восполним этот пробел. Вот видео наиболее интересного, классического эксперимента по ЯМР
Ядерный магнитный резонанс в земном поле за пять минут (попытки)
Вкратце ЯМР это резонанс атомов конкретно взятого вещества, на определенной частоте, находящегося в супер однородном магнитном поле определенной напряженности, идущей с поглощением этой радиочастоты. Поглощается радиочастота ядром атома примерно по тем же принципам как и поглощается радиочастота LC колебательным контуром с высокой (Q более 1000), но ограниченной добротностью, за счет чего излишки энергии переизлучаются атомом в виде тепла, на подобие как это происходит в не идеальном колебательном контуре или идеальном, но с параллельными и последовательными резисторами. Явление ЯМР можно наблюдать и без накачки, просто при смене сильного однородного поля на более слабое однородное поле повернутое на 90 градусов, годится даже откорректированное земное фоновое магнитное поле. Равномерность магнитного поля для обнаружения явления ЯМР в исследуемом образце крайне важна, так как ядерный магнитный резонанс очень узкий и при незначительной смене напряженности поля будет меняться и резонансная частота атомов, их фаза, что будет приводить к интерференции и уменьшению интенсивности частоты релаксации. При поглощении в неоднородном магнитном поле радиочастота будет поглощаться не всем объемом рабочего тела, а узким слоем, что может составлять менее 1% от рабочего тела, соответственно в однородном поле ЯМР будет наблюдаться у 100% атомов исследуемого вещества. В какой-то степени релаксационное излучение ядер атомов можно сравнивать со стрелкой компаса, которого извлекли из сильного поля и оставили в повернутом на 90 градусов, допустим фоновом поле. Стрелка будет испытывать колебания и чем слабее фоновое поле, тем ниже частота колебаний
Частоты ЯМР некоторых веществ в магнитном поле 2,3488 Тл
| Атом | Частота, МГц |
| Водород-1 | 100.000 |
| Медь-63 | 26.505 |
| Алюминий-27 | 26.057 |
| Азот-15 | 10.133 |
| Уран-235 | 1.790 |
подробнее
http://www.chemport.ru/data/data924.shtml
Имея таблицу с частотами ЯМР веществ при фиксированном значении магнитного поля можно легко вычислить ЯМР для более слабого или более сильного поля. Эта зависимость линейная. Так, если атом водорода при напряженности поля 2.3488 Тл резонирует на частоте 100 МГц, то при в 2 раза меньшей напряженности поля резонанс будет на в 2 раза меньшей частоте, т.е. при поле 1.1744 Тл резонанс атома водорода будет на частоте 50 МГц.
Явление ЯМР используется для бесконтактного анализа вещества методом ЯМР спектроскопии. На этом принципе работают медицинские томографы МРТ (Магнитная Резонансная Томография, правильнее ЯМРТ), позволяющие в отличие от КТ получать четкое изображение человеческого тела не прибегая к вредоносному рентгеновскому излучению, причем в отличие от КТ, которая создает трехмерное изображение основываясь только на плотности вещества, МРТ еще и определяет атомарный состав вещества, что позволяет отслеживать протекающие в теле химические процессы и тем самым выявлять самый широкий спектр заболеваний.
Спектральный анализ может быть осуществлен различными способами, например, если имеется две близкие радиочастоты, то эти радиочастоты можно пропустить через исследуемое вещество, находящееся в равномерном магнитном поле и по поглощению одной из радиочастот можно судить о том, что атомы образца имеют ЯМР на этой радиочастоте. Другой метод основан на смене напряженности магнитного поля и его вектора на 90 градусов и регистрации ответной радиочастоты релаксирующих ядер атомов. Если исследуемое вещество в постоянном магнитном поле имеет ЯМР на определенной частоте, поглощая эту частоту, то при смене напряженности поля и повороте его на 90 градусов, как правило при его уменьшении до фоновых значений, образец начинает сам излучать некую радиочастоту связанную с релаксацией атомов в слабом магнитном поле.
Более сложные спектры можно наблюдать в сложных молекулах, где наблюдается так называемый химический сдвиг, вызванный экранированием внешнего магнитного поля внутренним полем, образованным движением электрона вокруг ядра. При химическом сдвиге частота атома уходит в сторону на небольшую величину, от единиц герц, до сотен герц или килогерц от частоты не связанного атома чистого атомарного вещества. Подробнее можно прочесть в википедии
https://ru.wikipedia.org/wiki/Химический_сдвиг
Компьютерный анализ спектров химических сдвигов используется в ЯМР спектроскопии сложных молекул
Ядерный магнитный резонанс для неспециалистов ( чайников )
Лекция-беседа о явлении магнитного резонанса (спектры и релаксация)
Spinus 2014 Чижик В. И.
Лекция-беседа о явлении магнитного резонанса (спектры и релаксация)
Основные явления, относящиеся к понятию «магнитный резонанс» – ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) – представляют собой интересные физические явления, связанные с излучением или поглощением электро-магнитных волн радиодиапазона при взаимодействии магнитных или электрических мультиполей ядер и электронов со статическими, переменными и флуктуирующими полями. Эти явления лежат в основе современных мощных методов исследования вещества на микро-, нано- и макро- уровнях. Целью этой лекции-беседы (конкретное изложение будет зависеть от интересов аудитории) является дать представление о ЯМР, ЭПР и ЯКР тем, кто приехал на Школу с «нулевыми» (или почти «нулевыми») знаниями о физике этих явлений, и, одновременно, оттенить те черты этих явлений, которые могут быть неизвестными или «слишком привычными» для широкого круга специалистов
Простая серийная лабораторная установка для студентов и простых экспериментов с ЯМР показана на видео
Простой учебный ЯМР-прибор для демонстрации эффекта ЯМР
ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе
http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431987
Как самому собрать простой ЯМР спектрометр
Способов определения спектров ЯМР много. Например, как уже говорилось, можно пользоваться и эффектом поглащения радиочастоты на частоте ЯМР в магнитном поле. Однако чтобы изучить процесс шире и поставить определенные эксперименты прибор лучше делать методом детектирования частоты релаксации исследуемого образца. Для этого потребуется создать экранированный от электромагнитных наводок металлический не железный (не магнитный материал) шкаф. Слева и справа можно разместить две обмотки создающие поле первичной поляризации (сильное поле), а сверху и снизу размещают две обмотки создающие супер однородное поле для релаксации ядер атомов. Третья обмотка мотается, допустим на стакане, в котором будет размещаться исследуемый образец. Размещается эта обмотка в центре шкафа. К съемной обмотке можно подключить резонансный конденсатор, а можно этого и не делать, однако в случае такого конденсатора нужно учитывать, что будет наблюдаться и звон самого съемного колебательного контура. Съемный колебательный контур подключается через коаксиальной кабель к приемной аппаратуре находящейся в другом экранированном корпусе, находящемся рядом. В качестве приемной аппаратуры можно использовать даже радиоприемник на произвольной выбранной частоте или его блок усиления промежуточной частоты на 465 кГц или 10.7 МГц, но лучше самому собрать узкополосный усилитель, допустим с биквадратным перестраиваемым фильтром или узкополосный усилитель на любую оптимальную частоту лежащую в диапазоне от килогерц до мегагерц. Усилитель может выглядеть так
Научный прибор своими руками
Две внутренние обмотки для поля поляризации и поля релаксации подключают к блокам питания с вольтметрами и амперметрами и регулируемыми токами и/или напряжениями. На обмотку поляризации подается достаточно большой ток на короткое время, так как длительность поляризации не важна, а короткое время поляризации не позволит обмотке перегреться, даже если проходящий через нее ток будет достаточно большим. Вторая обмотка - обмотка поля релаксации может быть включена постоянно и она призвана создавать супер однородное не сильное поле, соизмеримое с земным фоновым или несколько большим. После выключения сильного поля поляризации образец оказывается в повернутом на 90 градусов поле релаксации заданным второй катушкой и начинает излучать радиочастоту, которую принимает приемная обмотка расположенная вокруг образца и подключенная к усилителю. Сигнал с усилителя можно наблюдать по осциллографу, лучше цифровому с режимом запоминания, так как длительность ЯМР звона в лучших случаях не превышает 1-2 секунды, но как правило меньше, хотя и должна быть больше, чем собственный звон приемной катушки
ЯМР в альтернативной энергетике
В альтернативной энергетике имеется несколько запатентованных изобретений, позволяющих получать энергию благодаря ЯМР. Однако отсутствие репликаций, практического использования и некоторые неточности делают эти патенты сомнительными документами.
Известен патент Michel Meyer - NMR Generator
Наибольшую известность имеют два патента по получению энергии на основе ЯМР
Французский патент FR2680613 Michel Meyer
www.youtube.com/watch?v=UTzcnemRZCs
Чешский патент. CZ 284333. ЯМР железа. 23.04.16
www.youtube.com/watch?v=V_PgueEv7ug
Первое, что бросается в глаза в чешском патенте это то, что речь идет о процессе ЯМР в атомах железа - 56 и превращении их в атомы железа - 54 в следствие низкоэнергетической ядерной реакции. Здесь явно присутствует ошибка или неточность в описании ( !!! ), так как ЯМР Fe56, так же как и Fe54 невозможен ( !!! ). Читаем краткую справку в википедии по изотопам железа и их спинам
https://ru.wikipedia.org/wiki/Изотопы_железа
Видим, что Fe-54 так же как и Fe56 имеют 0+ (нулевой спин), а ЯМР при нулевом спине невозможен, о чем также читаем в википедии в определении ЯМР
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ядерный_магнитный_резонанс
Однако с точки зрения LENR реакция может быть, хотя зачем тогда ЯМР непонятно
АТОМИСТИКА. ЯМР. ЧЕШСКИЙ ПАТЕНТ. 22.11.17
www.youtube.com/watch?v=FEsy8yuRVFU
Более подробно на форуме: EnergyScience.ru
Есть патент РФ 2348051 способ и устройства множественной активации ионов в методах ЯМР и ЭПР. В изобретении используется единственный индуктор, который обеспечивает облучение образца на пульсирующим затухающем переменным магнитным полем, без необходимости применения второго, постоянного магнитного поля. В патенте сказано, что посредством короткого импульса менее 0.1 мс с током более 10000 ампер подаваемого на индуктор в образце возникают ядерные реакции и трансмутация элементов
www.youtube.com/watch?v=5L_FoNrWp1E
Изобретение оказывает дистанционное каталитическое воздействие или обеспечивает активацию ядер, что способствует поддержанию, ускорению или инициации потенциальной химической или ядерной реакции, которая в противном случае либо не могла бы протекать, либо протекала бы в очень медленном ритме
Патент РФ 2348051 http://www.freepatent.ru/patents/2348051
Однако точность в описании процессов расписанная в патенте вызывает некоторые сомнения в плане его прямого отношения к ЯМР и ЭПР, а больше напоминает грубый малоизбирательный способ осуществления LENR по принципу лишь бы как
Среди альтернативщиков хорошо известно такое устройство как ТПУ Стивена Марка, однако на данное устройства нет известных патентов и никакой официальной информации и тем не менее информация об устройстве широко распространена и многие экспериментаторы пытаются его повторить. Результативность таких экспериментов противоречива, но есть смысл рассказать об основных принципах работы устройства. Устройство работает на перпендикулярных магнитных полях, что позволяет заподозрить в основе работы устройства вращение протонов атомов меди.
Схематично берется катушка индуктивности диаметром 10 см и количеством витков равное 40, намотанная литцендратом, это основная резонансная намотка, параллельно ей мотается обмотка в 40 витков намотанная одножильным проводом. Вокруг этого кольца наматываются 3-4 обмотки с количеством витков 5-10 толстого провода и подключаются эти обмотки к ключам, которые срабатывают по очереди, по принципу бегущего огня с небольшим нахлестом, создавая как бы вращающееся по кругу магнитное поле, частота вращения поля лежит в диапазоне 1.8-2.5 МГц.
Одна из возможных схем ТПУ Стивена Марка с обратной связью по питанию (самозапит) представлена ниже
Среди людей интересующихся альтернативной энергетикой хорошо известен такой деятель, как Роман Карнаухов, он же фигурирует под псевдонимом Акула.
На видео ниже он показывает в Германии кольцо Стивена Марка мощностью 1 Ватт в режиме самозапита, а далее разбирает его в присутствии интересующихся людей, чтобы показать отсутствии спрятанных химических источников энергии
Однако, на данное время нет достоверных данных, о том, что кто-либо повторил работу этих устройств должным образом
О ЯМР в металлических проводниках и ферромагнетиках
Если в качестве исследуемого образца брать не жидкости или растворы солей металлов, а токопроводящие материалы, то излучение ЯМР этих образцов будет иметь свои особенности, при этом подойдет не любой способ исследования. Например, способ основанный на пропускании радиосгнала через образец может не дать корректного результата, так как металл может поглощать или отражать радиоволну исключительно за счет своих токопроводящих свойств, а не за счет ЯМР. В этом случае интересней способ основанный на поляризации образца в сильном поле и релаксации атомов образца в повернутом на 90 градусов слабом супер однородном магнитном поле. Но и здесь не все так просто.
Для примера возьмем медный цилиндр. Медь является диамагнетиком и в природе встречается 2 изотопа Cu-65 и Cu-63 в соотношении 27% к 73% соответственно. ЯМР этих изотопов имеет разные частоты. Медь-63 (Cu-63) имеет частоту ЯМР 26.505 МГц в поле напряженностью 2.3488 Тл
Слабые диамагнитные свойства меди делают ее легко проницаемой для постоянного магнитного поля, однако сигнал релаксации ядер цельного медного цилиндра может подавляться токами Фуко и сомнительно, что образец в виде цельного медного цилиндра даст хороший звон, способный выйти из образца ввиде переменного магнитного поля, это же явление делает неприменимым способ основанный на прохождении радиочастотного магнитного поля на частоте ЯМР сквозь образец. Поэтому проще всего исследовать раствор медной соли, например, хлорид меди или медный купорос. Но если нас интересует цельная металлическая медь, то форма образца играет большую роль.
Наиболее интересная версия заключается в том, чтобы образец сделать в форме катушки индуктивности, однако для чисто исследовательского эксперимента эту индуктивность не следует дополнять колебательным контуром, так как он будет давать самостоятельный звон при смене поля, который можно перепутать со звоном ЯМР. Провод лучше брать тонким, чтобы убрать токи Фуко. Длинна провода также важна и может быть достаточно большой, дабы увеличить количество вовлеченных в процесс ядер, но не столько большой, чтобы не начал проявляться волновой резонанс, который может также нарушить чистоту эксперимента. Чтобы еще больше увеличить количество вовлеченных в процесс ядер проводник можно сделать многожильным ввиде нескольких параллельных тонких проводов, так называемый литцендрат. В некоторых случаях для увеличения чистоты эксперимента все другие катушки в системе, кроме исследуемого образца необходимо выполнить из другово металла, не из меди, но и не из железа, например, подойдет золото или гораздо более дешевое серебро, алюминий также нежелателен, так как имеет близкие к меди частоты ЯМР. Как вариант исследуемый образец может выступать в качестве съемной катушки, однако это не следует делать основным способом, а делать лишь дополнительным экспериментом, так как собственные резонансные свойства съемной катушки могут сбивать общие показания
Магнитные свойства меди
Передача энергии через магнитные моменты атомов окружающего вещества
Владимир Ильич Бровин, инженер, изобретатель одноименного качера, имееющий несколько действующих патентов РФ 2075726, 2444124, 2551806
обнаружил, что энергия от одной катушки индуктивности задействованной в схеме качера к другой катушке индуктивности задействованной в схеме детекторного приемника мощности передается линейно, что противоречит законам Ампера и Био-Савара. После многочисленных экспериментов Бровин пришел к выводу, что энергия от одной катушки индуктивности к другой передается не только через магнитное поле, как это могло бы происходить в вакууме, а еще и через магнитные моменты атомов окружающего катушки вещества
Цитаты автора (В.И. Бровин) о работе качера
взято здесь:
http://van.ansya.ru/health/v-i-brovin-yavlenie-peredachi-energii-induktivnostej-cherez-ma/main.html
- "Качер вызывает в течение единиц наносекунд «кивок» (так кратко я называю механическое перемещение магнитных моментов атомов вещества, совершающееся под действием магнитных полей в парамагнетиках, и прецессию, вызываемую в диамагнетиках) магнитных моментов атомов, составляющих окружающее индуктор пространство вдоль магнитных силовых линий, образуемых индуктором. Магнитные моменты кивают не одномоментно, а в течение некоторого промежутка времени, подобно падающим костяшкам домино, от более плотной упаковки в объеме вблизи индуктора, к более рыхлой вдали от него"
-"Я предполагаю, что вблизи индуктора должна быть максимальная концентрация кивков, возбуждаемых индуктором. Кивки передаются на периферию связанными магнитным полем цепочками, и поглощают энергию от индуктора в течение наносекунд, вызывая этим экстраток самоиндукции. Вдоль оси цепи, составленной из магнитных моментов атомов, удаляющихся от индуктора в периферию, напряженность магнитного поля больше, чем в других направлениях (в моем представлении магнитный момент атома – это логическая сумма составляющих атом магнетонов – квантовых констант). Плоскость рамки приемника, пересекающая некоторое количество цепочек, (магнитный поток) при приближении к индуктору захватывает большее количество цепочек, при удалении - меньшее. Этим и определяется прямо пропорциональная зависимость передачи энергии от индуктора к приемнику, что и подтверждается экспериментом"
-"Новый взгляд на явление появился, когда я понял, что следует учесть экстратоки самоиндукции. Экстраток – это такое же поглощение энергии, которое наблюдается при ядерном магнитном резонансе"
Формула открытия
- "Проводник, являющийся индуктивностью, с током продолжающимся от десятков и менее наносекунд, создает в окружающем пространстве намагниченность проявляющуюся в механическом изменении положения магнитных моментов атомов окружающего активную и приемную индуктивности вещества, и это позволяет передавать энергию от активной индуктивности к приемной не только через собственно магнитное поле активной индуктивности, но и от изменяющегося механического перемещения магнитных моментов окружающего индуктивности вещества. В результате изменение энергии в приемной индуктивности в зависимости от расстояния происходит по закону U=U0(1 – kX)"
Литература