Resonansi magnetik nuklir (NMR) adalah spektroskopi nuklir yang banyak digunakan di semua ilmu fisika dan industri. Dalam NMR untuk menyelidiki sifat spin intrinsik inti atom menggunakan magnet besar. Seperti spektroskopi lainnya, ia menggunakan radiasi elektromagnetik (gelombang frekuensi radio dalam rentang VHF) untuk menciptakan transisi antara tingkat energi (resonansi). Dalam kimia, NMR membantu menentukan struktur molekul kecil. Resonansi magnetik nuklir dalam kedokteran telah menemukan aplikasi dalam magnetic resonance imaging (MRI).

Pembukaan

NMR ditemukan pada tahun 1946 oleh ilmuwan Universitas Harvard Purcell, Pound, dan Torrey, dan Stanford's Bloch, Hansen, dan Packard. Mereka memperhatikan bahwa inti 1 H dan 31 P (proton dan fosfor-31) mampu menyerap energi frekuensi radio ketika terkena medan magnet, yang kekuatannya spesifik untuk setiap atom. Ketika diserap, mereka mulai beresonansi, setiap elemen pada frekuensinya sendiri. Pengamatan ini memungkinkan analisis rinci dari struktur molekul. Sejak itu, NMR telah menemukan aplikasi dalam studi kinetik dan struktural padatan, cairan dan gas, menghasilkan 6 Hadiah Nobel.

Spin dan sifat magnetik

Nukleus terdiri dari partikel elementer yang disebut neutron dan proton. Mereka memiliki momentum sudutnya sendiri, yang disebut spin. Seperti elektron, spin inti dapat dijelaskan dengan bilangan kuantum I dan m dalam medan magnet. Inti atom dengan jumlah proton dan neutron yang genap memiliki putaran nol, sedangkan yang lainnya tidak memiliki putaran nol. Selain itu, molekul dengan putaran tidak nol memiliki momen magnet = Saya, di mana adalah rasio gyromagnetic, konstanta proporsionalitas antara momen dipol magnetik dan momen sudut, yang berbeda untuk setiap atom.

Momen magnet inti membuatnya berperilaku seperti magnet kecil. Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, setiap magnet berorientasi secara acak. Selama percobaan NMR, sampel ditempatkan dalam medan magnet eksternal B 0 , yang menyebabkan magnet batang energi rendah sejajar dengan arah B 0 dan energi tinggi dalam arah yang berlawanan. Dalam hal ini, orientasi putaran magnet berubah. Untuk memahami konsep yang agak abstrak ini, seseorang harus mempertimbangkan tingkat energi nukleus selama percobaan NMR.

Tingkat energi

Sebuah spin flip membutuhkan bilangan bulat kuanta. Untuk setiap m, ada 2m + 1 tingkat energi. Untuk inti dengan putaran 1/2 hanya ada 2 - rendah, ditempati oleh putaran yang sejajar dengan B 0 , dan tinggi, ditempati oleh putaran yang diarahkan melawan B 0 . Setiap tingkat energi didefinisikan oleh E = -mℏγВ 0 , di mana m adalah bilangan kuantum magnetik, dalam hal ini +/- 1/2. Tingkat energi untuk m > 1/2, yang dikenal sebagai inti kuadrupol, lebih kompleks.

Perbedaan energi antara tingkat adalah: E = B 0 , di mana adalah konstanta Planck.

Seperti yang dapat dilihat, kekuatan medan magnet sangat penting, karena jika tidak ada, levelnya merosot.

Transisi energi

Untuk resonansi magnetik nuklir terjadi, spin flip harus terjadi antara tingkat energi. Perbedaan energi antara kedua keadaan sesuai dengan energi radiasi elektromagnetik, yang menyebabkan inti mengubah tingkat energinya. Untuk kebanyakan Spektrometer NMR Pada 0 memiliki orde 1 Tesla (T), dan - 10 7 . Oleh karena itu, radiasi elektromagnetik yang diperlukan adalah orde 10 7 Hz. Energi foton diwakili oleh rumus E = hν. Oleh karena itu, frekuensi yang diperlukan untuk penyerapan adalah: = 0 /2π.

Perisai nuklir

Fisika NMR didasarkan pada konsep perisai nuklir, yang memungkinkan untuk menentukan struktur materi. Setiap atom dikelilingi oleh elektron yang berputar di sekitar nukleus dan bekerja pada medan magnetnya, yang pada gilirannya menyebabkan perubahan kecil dalam tingkat energi. Ini disebut perisai. Inti yang mengalami medan magnet berbeda yang terkait dengan interaksi elektronik lokal disebut non-ekuivalen. Mengubah tingkat energi untuk spin flip memerlukan frekuensi yang berbeda, yang menciptakan puncak baru dalam spektrum NMR. Penyaringan memungkinkan penentuan struktural molekul dengan menganalisis sinyal NMR menggunakan transformasi Fourier. Hasilnya adalah spektrum yang terdiri dari satu set puncak, masing-masing sesuai dengan lingkungan kimia yang berbeda. Luas puncak berbanding lurus dengan jumlah inti. Informasi struktur terperinci diambil oleh Interaksi NMR, yang mengubah spektrum dengan cara yang berbeda.

Relaksasi

Relaksasi mengacu pada fenomena kembalinya inti ke secara termodinamika stabil setelah eksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dari keadaan. Dalam hal ini, energi yang diserap selama transisi dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi dilepaskan. Ini adalah proses yang agak rumit yang terjadi dalam kerangka waktu yang berbeda. Dua yang paling tersebar luas jenis relaksasi adalah spin-lattice dan spin-spin.

Untuk memahami relaksasi, perlu untuk mempertimbangkan seluruh sampel. Jika inti ditempatkan di medan magnet eksternal, mereka akan menciptakan magnetisasi massal di sepanjang sumbu Z. Putarannya juga koheren dan memungkinkan sinyal dideteksi. NMR menggeser magnetisasi massal dari sumbu Z ke bidang XY, di mana ia memanifestasikan dirinya.

Relaksasi spin-lattice dicirikan oleh waktu T 1 yang diperlukan untuk memulihkan 37% magnetisasi massal di sepanjang sumbu Z. Semakin efisien proses relaksasi, semakin kecil T 1 . Dalam padatan, karena pergerakan antar molekul terbatas, waktu relaksasinya lama. Pengukuran biasanya dilakukan dengan metode pulsa.

Relaksasi spin-spin ditandai dengan hilangnya koherensi timbal balik T2. Ini mungkin kurang dari atau sama dengan T 1 .

Resonansi magnetik nuklir dan aplikasinya

Dua bidang utama di mana NMR telah terbukti sangat penting adalah kedokteran dan kimia, tetapi aplikasi baru sedang dikembangkan setiap hari.

Pencitraan resonansi magnetik nuklir, lebih dikenal sebagai pencitraan resonansi magnetik (MRI), adalah alat diagnostik medis yang penting digunakan untuk mempelajari fungsi dan struktur tubuh manusia. Ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan gambar detail dari organ apa pun, terutama jaringan lunak, di semua bidang yang memungkinkan. Digunakan di bidang pencitraan kardiovaskular, neurologis, muskuloskeletal dan onkologis. Tidak seperti computed tomography alternatif, pencitraan resonansi magnetik tidak menggunakan radiasi pengion, oleh karena itu benar-benar aman.

MRI dapat mendeteksi perubahan halus yang terjadi dari waktu ke waktu. Pencitraan MRI dapat digunakan untuk mengidentifikasi kelainan struktural yang terjadi selama perjalanan penyakit, bagaimana kelainan tersebut mempengaruhi perkembangan selanjutnya, dan bagaimana perkembangannya berkorelasi dengan aspek mental dan emosional dari kelainan tersebut. Karena MRI tidak memvisualisasikan tulang dengan baik, intrakranial dan intravertebral isi.

Prinsip-prinsip menggunakan resonansi magnetik nuklir dalam diagnostik

Selama prosedur MRI, pasien berbaring di dalam magnet silinder berongga besar dan terkena medan magnet yang kuat dan stabil. Atom yang berbeda di bagian tubuh yang dipindai beresonansi pada frekuensi medan yang berbeda. MRI digunakan terutama untuk mendeteksi getaran atom hidrogen, yang mengandung inti proton yang berputar dengan medan magnet kecil. Di MRI, medan magnet latar belakang berbaris semua atom hidrogen dalam jaringan. Medan magnet kedua, yang orientasinya berbeda dari latar belakang, menyala dan mati berkali-kali per detik. Pada frekuensi tertentu, atom beresonansi dan sejajar dengan medan kedua. Saat dimatikan, atom memantul kembali, sejajar dengan latar belakang. Ini menciptakan sinyal yang dapat diterima dan diubah menjadi gambar.

Jaringan dengan sejumlah besar hidrogen, yang ada dalam tubuh manusia dalam komposisi air, menciptakan gambar yang cerah, dan dengan sedikit atau tanpanya (misalnya, tulang) terlihat gelap. Kecerahan MRI ditingkatkan oleh agen kontras seperti gadodiamide, yang dikonsumsi pasien sebelum prosedur. Meskipun agen ini dapat meningkatkan kualitas gambar, sensitivitas prosedur tetap relatif terbatas. Teknik sedang dikembangkan untuk meningkatkan sensitivitas MRI. Yang paling menjanjikan adalah penggunaan parahidrogen, suatu bentuk hidrogen dengan sifat spin molekul unik yang sangat sensitif terhadap medan magnet.

Peningkatan kinerja medan magnet yang digunakan dalam MRI telah menyebabkan pengembangan modalitas pencitraan yang sangat sensitif seperti difusi dan MRI fungsional, yang dirancang untuk menampilkan sifat jaringan yang sangat spesifik. Selain itu, bentuk unik dari teknologi MRI yang disebut angiografi resonansi magnetik digunakan untuk menggambarkan pergerakan darah. Hal ini memungkinkan visualisasi arteri dan vena tanpa perlu jarum, kateter atau agen kontras. Seperti halnya MRI, teknik ini telah membantu merevolusi penelitian dan diagnostik biomedis.

Teknologi komputer canggih telah memungkinkan ahli radiologi untuk membuat hologram tiga dimensi dari bagian digital yang diperoleh oleh pemindai MRI, yang berfungsi untuk menentukan lokasi lesi yang tepat. Tomografi sangat berharga dalam memeriksa otak dan sumsum tulang belakang, serta organ panggul seperti kandung kemih, dan tulang kanselus. Metode ini memungkinkan Anda dengan cepat dan jelas secara akurat menentukan tingkat kerusakan tumor dan menilai potensi kerusakan akibat stroke, memungkinkan dokter untuk meresepkan perawatan yang tepat pada waktu yang tepat. MRI sebagian besar telah menggantikan arthrography, kebutuhan untuk menyuntikkan zat kontras ke dalam sendi untuk memvisualisasikan kerusakan tulang rawan atau ligamen, dan myelography, injeksi zat kontras ke dalam kanal tulang belakang untuk memvisualisasikan gangguan pada sumsum tulang belakang atau diskus intervertebralis.

Aplikasi dalam kimia

Di banyak laboratorium saat ini, resonansi magnetik nuklir digunakan untuk menentukan struktur senyawa kimia dan biologi yang penting. Dalam spektrum NMR, puncak yang berbeda memberikan informasi tentang lingkungan kimia tertentu dan ikatan antar atom. Paling tersebar luas isotop yang digunakan untuk mendeteksi sinyal resonansi magnetik adalah 1 H dan 13 C, tetapi banyak lainnya yang cocok, seperti 2 H, 3 He, 15 N, 19 F, dll.

Spektroskopi NMR modern telah menemukan aplikasi luas dalam sistem biomolekuler dan memainkan peran penting dalam biologi struktural. Dengan perkembangan metodologi dan alat, NMR telah menjadi salah satu metode spektroskopi yang paling kuat dan serbaguna untuk analisis biomakromolekul, yang memungkinkan untuk mengkarakterisasi mereka dan kompleksnya hingga ukuran 100 kDa. Bersama dengan kristalografi sinar-X, ini adalah salah satunya dari dua teknologi terkemuka untuk menentukan strukturnya pada tingkat atom. Selain itu, NMR memberikan informasi unik dan penting tentang fungsi protein, yang memainkan peran penting dalam pengembangan obat. Beberapa aplikasi Spektroskopi NMR tercantum di bawah ini.

• Ini adalah satu-satunya metode untuk menentukan struktur atom biomakromolekul dalam larutan berair di dekat: fisiologis kondisi atau media simulasi membran.
• Dinamika molekuler. Ini yang paling kuat metode untuk penentuan kuantitatif sifat dinamis biomakromolekul.
• Lipatan protein. Spektroskopi NMR adalah alat yang paling kuat untuk menentukan struktur residu protein yang tidak dilipat dan mediator pelipatan.
• Keadaan ionisasi. Metode ini efektif dalam menentukan sifat kimia gugus fungsi dalam biomakromolekul, seperti ionisasi keadaan kelompok terionisasi dari situs aktif enzim.
• Resonansi magnetik nuklir memungkinkan untuk mempelajari interaksi fungsional yang lemah antara makrobiomolekul (misalnya, dengan konstanta disosiasi dalam rentang mikromolar dan milimolar), yang tidak dapat dilakukan dengan menggunakan metode lain.
• Hidrasi protein. NMR adalah alat untuk mendeteksi air internal dan interaksinya dengan biomakromolekul.
• Ini unik metode deteksi interaksi langsung ikatan hidrogen.
• Skrining dan pengembangan obat. Secara khusus, resonansi magnetik nuklir sangat berguna dalam mengidentifikasi obat dan menentukan konformasi senyawa yang terkait dengan enzim, reseptor, dan protein lainnya.
• protein membran asli. NMR keadaan padat memiliki potensi penentuan struktur atom domain protein membran di lingkungan membran asli, termasuk yang memiliki ligan terikat.
• Analisis metabolisme.
• Analisis kimia. Identifikasi kimia dan analisis konformasi bahan kimia sintetis dan alami.
• Ilmu Material. Alat yang ampuh dalam studi kimia polimer dan fisika.

Penggunaan lainnya

Resonansi magnetik nuklir dan aplikasinya tidak terbatas pada kedokteran dan kimia. Metode ini telah terbukti sangat berguna di bidang lain juga, seperti pengujian lingkungan, industri minyak, kontrol proses, NMR lapangan bumi, dan magnetometer. Pengujian non-destruktif menghemat sampel biologis mahal yang dapat digunakan kembali jika pengujian lebih lanjut diperlukan. Resonansi magnetik nuklir dalam geologi digunakan untuk mengukur porositas batuan dan permeabilitas cairan bawah tanah. Magnetometer digunakan untuk mengukur berbagai medan magnet.

1. Inti dari fenomena

   Pertama-tama, perlu dicatat bahwa meskipun kata "nuklir" hadir atas nama fenomena ini, NMR tidak ada hubungannya dengan fisika nuklir dan tidak ada hubungannya dengan radioaktivitas. Jika kita berbicara tentang deskripsi yang ketat, maka seseorang tidak dapat melakukannya tanpa hukum mekanika kuantum. Menurut hukum ini, energi interaksi inti magnet dengan medan magnet luar hanya dapat mengambil beberapa nilai diskrit. Jika inti magnet disinari dengan medan magnet bolak-balik, frekuensi yang sesuai dengan perbedaan antara tingkat energi diskrit ini, dinyatakan dalam satuan frekuensi, maka inti magnet mulai bergerak dari satu tingkat ke tingkat lainnya, sambil menyerap energi bolak-balik. bidang. Ini adalah fenomena resonansi magnetik. Penjelasan ini secara formal benar, tetapi tidak terlalu jelas. Ada penjelasan lain, tanpa mekanika kuantum. Inti magnetik dapat dianggap sebagai bola bermuatan listrik yang berputar di sekitar porosnya (walaupun sebenarnya tidak demikian). Menurut hukum elektrodinamika, rotasi muatan menyebabkan munculnya medan magnet, yaitu momen magnet inti, yang diarahkan sepanjang sumbu rotasi. Jika momen magnet ini ditempatkan di medan eksternal yang konstan, maka vektor momen ini mulai berpresesi, yaitu berputar di sekitar arah medan eksternal. Dengan cara yang sama, sumbu roda pemintal melakukan presesi (berputar) di sekitar vertikal, jika tidak diputar secara vertikal, tetapi pada sudut tertentu. Dalam hal ini, peran medan magnet dimainkan oleh gaya gravitasi.

   Frekuensi presesi ditentukan baik oleh sifat nukleus maupun oleh kekuatan medan magnet: semakin kuat medannya, semakin tinggi frekuensinya. Kemudian, jika, selain medan magnet eksternal yang konstan, medan magnet bolak-balik bekerja pada nukleus, maka nukleus mulai berinteraksi dengan medan ini - itu, seolah-olah, mengayunkan nukleus lebih kuat, amplitudo presesi meningkat, dan inti menyerap energi medan bolak-balik. Namun, ini hanya akan terjadi di bawah kondisi resonansi, yaitu, kebetulan frekuensi presesi dan frekuensi medan bolak-balik eksternal. Ini terlihat seperti contoh klasik dari fisika sekolah menengah - tentara berbaris melintasi jembatan. Jika frekuensi langkah bertepatan dengan frekuensi alami jembatan, maka ayunan jembatan semakin banyak. Secara eksperimental, fenomena ini memanifestasikan dirinya dalam ketergantungan penyerapan medan bolak-balik pada frekuensinya. Pada saat resonansi, penyerapan meningkat tajam, dan spektrum resonansi magnetik paling sederhana terlihat seperti ini:

   

2. Spektroskopi Fourier

   Spektrometer NMR pertama bekerja persis seperti yang dijelaskan di atas - sampel ditempatkan dalam medan magnet konstan, dan radiasi RF terus diterapkan padanya. Kemudian frekuensi medan bolak-balik atau intensitas medan magnet konstan berubah dengan lancar. Penyerapan energi medan bolak-balik direkam oleh jembatan frekuensi radio, yang sinyalnya dikeluarkan ke perekam atau osiloskop. Tetapi metode pendaftaran sinyal ini sudah lama tidak digunakan. Dalam spektrometer NMR modern, spektrum direkam menggunakan pulsa. Momen magnetik inti dirangsang oleh pulsa pendek yang kuat, setelah itu sinyal direkam, yang diinduksi dalam koil RF dengan mendahului momen magnetik secara bebas. Sinyal ini secara bertahap menurun ke nol saat momen magnetik kembali ke keseimbangan (proses ini disebut relaksasi magnetik). Spektrum NMR diperoleh dari sinyal ini menggunakan transformasi Fourier. Ini adalah prosedur matematika standar yang memungkinkan Anda untuk menguraikan sinyal apa pun menjadi harmonik frekuensi dan dengan demikian memperoleh spektrum frekuensi dari sinyal ini. Metode perekaman spektrum ini memungkinkan Anda untuk secara signifikan mengurangi tingkat kebisingan dan melakukan eksperimen lebih cepat.

   

   Satu pulsa eksitasi untuk merekam spektrum adalah eksperimen NMR yang paling sederhana. Namun, mungkin ada banyak pulsa seperti itu, dengan durasi yang berbeda, amplitudo, dengan penundaan yang berbeda di antara mereka, dll., dalam percobaan, tergantung pada jenis manipulasi apa yang perlu dilakukan peneliti dengan sistem momen magnetik nuklir. Namun, hampir semua urutan pulsa ini berakhir dengan hal yang sama - merekam sinyal presesi bebas diikuti oleh transformasi Fourier.

3. Interaksi magnetik dalam materi

   Dalam dirinya sendiri, resonansi magnetik akan tetap tidak lebih dari fenomena fisik yang menarik, jika bukan karena interaksi magnetik inti satu sama lain dan dengan kulit elektron molekul. Interaksi ini mempengaruhi parameter resonansi, dan dengan bantuannya, NMR dapat digunakan untuk memperoleh berbagai informasi tentang sifat-sifat molekul - orientasinya, struktur spasial (konformasi), interaksi antarmolekul, pertukaran kimia, dinamika rotasi dan translasi. Berkat ini, NMR telah menjadi alat yang sangat kuat untuk mempelajari zat pada tingkat molekuler, yang banyak digunakan tidak hanya dalam fisika, tetapi terutama dalam kimia dan biologi molekuler. Contoh dari salah satu interaksi ini adalah apa yang disebut pergeseran kimia. Esensinya adalah sebagai berikut: kulit elektron molekul merespons medan magnet eksternal dan mencoba melindunginya - perisai parsial medan magnet terjadi di semua zat diamagnetik. Ini berarti bahwa medan magnet dalam molekul akan berbeda dari medan magnet luar dengan jumlah yang sangat kecil, yang disebut pergeseran kimia. Namun, sifat kulit elektron di berbagai bagian molekul berbeda, dan pergeseran kimianya juga berbeda. Dengan demikian, kondisi resonansi untuk inti di berbagai bagian molekul juga akan berbeda. Hal ini memungkinkan untuk membedakan inti kimia yang tidak setara dalam spektrum. Misalnya, jika kita mengambil spektrum inti hidrogen (proton) air murni, maka hanya akan ada satu garis di dalamnya, karena kedua proton dalam molekul H 2 O persis sama. Tetapi untuk metil alkohol CH 3 OH sudah akan ada dua garis dalam spektrum (jika interaksi magnetik lainnya diabaikan), karena ada dua jenis proton - proton dari gugus metil CH 3 dan proton yang terkait dengan atom oksigen. Ketika molekul menjadi lebih kompleks, jumlah garis akan bertambah, dan jika kita mengambil molekul yang begitu besar dan kompleks seperti protein, maka dalam kasus ini spektrumnya akan terlihat seperti ini:

   

4. inti magnetik

   NMR dapat diamati pada inti yang berbeda, tetapi harus dikatakan bahwa tidak semua inti memiliki momen magnet. Sering terjadi bahwa beberapa isotop memiliki momen magnetik, sedangkan isotop lain dari inti yang sama tidak. Secara total, ada lebih dari seratus isotop dari berbagai unsur kimia yang memiliki inti magnet, tetapi biasanya tidak lebih dari 1520 inti magnet digunakan dalam penelitian, yang lainnya eksotis. Setiap inti memiliki rasio karakteristik medan magnet dan frekuensi presesinya sendiri, yang disebut rasio gyromagnetic. Untuk semua inti, rasio ini diketahui. Dengan menggunakannya, seseorang dapat memilih frekuensi di mana, untuk medan magnet tertentu, sinyal dari inti yang dibutuhkan oleh peneliti akan diamati.

   Inti yang paling penting untuk NMR adalah proton. Mereka paling melimpah di alam, dan mereka memiliki sensitivitas yang sangat tinggi. Untuk kimia dan biologi, inti karbon, nitrogen, dan oksigen sangat penting, tetapi para ilmuwan tidak terlalu beruntung dengan mereka: isotop karbon dan oksigen yang paling umum, 12 C dan 16 O, tidak memiliki momen magnet, alam isotop nitrogen 14 N memiliki momen, tetapi karena beberapa alasan sangat tidak nyaman untuk eksperimen. Ada 13 isotop C, 15 N dan 17 O yang cocok untuk eksperimen NMR, tetapi kelimpahan alaminya sangat rendah dan sensitivitasnya sangat rendah dibandingkan dengan proton. Oleh karena itu, sampel khusus yang diperkaya secara isotop sering disiapkan untuk studi NMR, di mana isotop alami dari satu atau lain nukleus diganti dengan yang diperlukan untuk eksperimen. Dalam kebanyakan kasus, prosedur ini sangat sulit dan mahal, tetapi terkadang ini adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan informasi yang diperlukan.

5. Elektron paramagnetik dan resonansi kuadrupol

   Berbicara tentang NMR, kita tidak dapat tidak menyebutkan dua fenomena fisik terkait lainnya - resonansi paramagnetik elektron (EPR) dan resonansi quadrupole nuklir (NQR). EPR pada dasarnya mirip dengan NMR, perbedaannya terletak pada kenyataan bahwa resonansi diamati pada momen magnetik bukan pada inti atom, tetapi pada kulit elektron atom. EPR hanya dapat diamati pada molekul atau kelompok kimia yang kulit elektronnya mengandung apa yang disebut elektron tidak berpasangan, maka kulit tersebut memiliki momen magnet yang tidak nol. Zat seperti itu disebut paramagnet. EPR, seperti NMR, juga digunakan untuk mempelajari berbagai sifat struktural dan dinamis zat pada tingkat molekuler, tetapi cakupannya jauh lebih sempit. Ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa sebagian besar molekul, terutama di alam hidup, tidak mengandung elektron yang tidak berpasangan. Dalam beberapa kasus, dimungkinkan untuk menggunakan apa yang disebut probe paramagnetik, yaitu kelompok kimia dengan elektron tidak berpasangan yang mengikat molekul yang diteliti. Tetapi pendekatan ini memiliki kelemahan yang jelas yang membatasi kemungkinan metode ini. Selain itu, dalam EPR tidak ada resolusi spektral yang tinggi (yaitu, kemampuan untuk membedakan satu garis dari yang lain dalam spektrum) seperti pada NMR.

   Paling sulit untuk menjelaskan sifat NQR "di jari". Beberapa inti memiliki apa yang disebut momen kuadrupol listrik. Momen ini mencirikan penyimpangan distribusi muatan listrik inti dari simetri bola. Interaksi momen ini dengan gradien medan listrik yang diciptakan oleh struktur kristal zat mengarah pada pemisahan tingkat energi nukleus. Dalam hal ini, resonansi dapat diamati pada frekuensi yang sesuai dengan transisi antara level-level ini. Tidak seperti NMR dan EPR, NQR tidak memerlukan medan magnet eksternal, karena pemisahan level terjadi tanpanya. NQR juga digunakan untuk mempelajari zat, tetapi cakupannya bahkan lebih sempit daripada EPR.

6. Keuntungan dan kerugian dari NMR

   

   NMR adalah metode yang paling kuat dan informatif untuk mempelajari molekul. Sebenarnya, ini bukan satu metode, tetapi sejumlah besar jenis eksperimen yang berbeda, yaitu, urutan pulsa. Meskipun semuanya didasarkan pada fenomena NMR, tetapi masing-masing eksperimen ini dirancang untuk mendapatkan beberapa informasi spesifik tertentu. Jumlah percobaan ini diukur dengan puluhan, jika tidak ratusan. Secara teoritis, NMR dapat, jika tidak semuanya, maka hampir semua metode eksperimental lain untuk mempelajari struktur dan dinamika molekul dapat, meskipun dalam praktiknya, tentu saja, jauh dari selalu layak. Salah satu keuntungan utama NMR adalah, di satu sisi, probe alaminya, yaitu inti magnetik, didistribusikan ke seluruh molekul, dan, di sisi lain, memungkinkan untuk membedakan inti ini satu sama lain dan memperoleh data selektif spasial tentang sifat-sifat molekul. Hampir semua metode lain memberikan informasi baik rata-rata di seluruh molekul, atau hanya tentang salah satu bagiannya.

   Ada dua kelemahan utama NMR. Pertama, ini adalah sensitivitas yang rendah dibandingkan dengan kebanyakan metode eksperimental lainnya (spektroskopi optik, fluoresensi, EPR, dll.). Ini mengarah pada fakta bahwa untuk meratakan kebisingan, sinyal harus diakumulasikan untuk waktu yang lama. Dalam beberapa kasus, eksperimen NMR dapat dilakukan bahkan selama beberapa minggu. Kedua, biayanya yang tinggi. Spektrometer NMR adalah salah satu instrumen ilmiah yang paling mahal, biaya setidaknya ratusan ribu dolar, dengan spektrometer paling mahal biaya beberapa juta. Tidak semua laboratorium, terutama di Rusia, mampu memiliki peralatan ilmiah seperti itu.

7. Magnet untuk spektrometer NMR

   Salah satu bagian yang paling penting dan mahal dari spektrometer adalah magnet, yang menciptakan medan magnet konstan. Semakin kuat medannya, semakin tinggi sensitivitas dan resolusi spektralnya, sehingga para ilmuwan dan insinyur terus-menerus berusaha mendapatkan medan setinggi mungkin. Medan magnet dibuat oleh arus listrik di solenoida - semakin kuat arus, semakin besar medannya. Namun, tidak mungkin untuk meningkatkan arus tanpa batas; pada arus yang sangat tinggi, kawat solenoida akan mulai meleleh. Oleh karena itu, magnet superkonduktor, yaitu magnet di mana kawat solenoida berada dalam keadaan superkonduktor, telah digunakan untuk waktu yang sangat lama untuk spektrometer NMR medan tinggi. Dalam hal ini, hambatan listrik kawat adalah nol, dan tidak ada energi yang dilepaskan pada nilai arus berapa pun. Keadaan superkonduktor hanya dapat diperoleh pada suhu yang sangat rendah, hanya beberapa derajat Kelvin - ini adalah suhu helium cair. (Superkonduktivitas suhu tinggi masih hanya masalah penelitian fundamental murni.) Dengan pemeliharaan suhu rendah seperti itu semua kesulitan teknis dalam desain dan produksi magnet terhubung, yang menyebabkan biaya tinggi. Magnet superkonduktor dibangun berdasarkan prinsip matryoshka termos. Solenoid ada di tengah, di ruang vakum. Itu dikelilingi oleh cangkang yang mengandung helium cair. Cangkang ini dikelilingi oleh cangkang nitrogen cair melalui lapisan vakum. Suhu nitrogen cair minus 196 derajat Celcius, nitrogen dibutuhkan agar helium menguap selambat mungkin. Akhirnya, cangkang nitrogen diisolasi dari suhu kamar oleh lapisan vakum luar. Sistem seperti itu mampu mempertahankan suhu yang diinginkan dari magnet superkonduktor untuk waktu yang sangat lama, meskipun ini membutuhkan penuangan nitrogen cair dan helium secara teratur ke dalam magnet. Keuntungan dari magnet tersebut, selain kemampuan untuk mendapatkan medan magnet yang tinggi, juga tidak mengkonsumsi energi: setelah magnet dimulai, arus mengalir melalui kabel superkonduktor dengan hampir tidak ada kerugian selama bertahun-tahun.

8. Tomografi

   Pada spektrometer NMR konvensional, mereka mencoba membuat medan magnet seseragam mungkin, hal ini diperlukan untuk meningkatkan resolusi spektral. Tetapi jika medan magnet di dalam sampel, sebaliknya, dibuat sangat tidak homogen, ini pada dasarnya membuka kemungkinan baru untuk menggunakan NMR. Ketidakhomogenan medan diciptakan oleh apa yang disebut kumparan gradien, yang dipasangkan dengan magnet utama. Dalam hal ini, besarnya medan magnet di berbagai bagian sampel akan berbeda, yang berarti bahwa sinyal NMR tidak dapat diamati dari seluruh sampel, seperti pada spektrometer konvensional, tetapi hanya dari lapisan sempitnya, yang kondisi resonansi terpenuhi, yaitu rasio medan magnet dan frekuensi yang diinginkan. Dengan mengubah besarnya medan magnet (atau, yang pada dasarnya sama, frekuensi pengamatan sinyal), Anda dapat mengubah lapisan yang akan memberikan sinyal. Dengan demikian, dimungkinkan untuk "memindai" sampel di seluruh volumenya dan "melihat" struktur tiga dimensi internalnya tanpa merusak sampel dengan cara mekanis apa pun. Sampai saat ini, sejumlah besar teknik telah dikembangkan yang memungkinkan untuk mengukur berbagai parameter NMR (karakteristik spektral, waktu relaksasi magnetik, laju difusi diri, dan beberapa lainnya) dengan resolusi spasial di dalam sampel. Yang paling menarik dan penting, dari sudut pandang praktis, penggunaan tomografi NMR ditemukan dalam pengobatan. Dalam hal ini “sampel” yang diperiksa adalah tubuh manusia. Pencitraan NMR adalah salah satu alat diagnostik yang paling efektif dan aman (tetapi juga mahal) di berbagai bidang kedokteran, mulai dari onkologi hingga kebidanan. Sangat mengherankan untuk dicatat bahwa dokter tidak menggunakan kata "nuklir" dalam nama metode ini, karena beberapa pasien mengaitkannya dengan reaksi nuklir dan bom atom.

9. Sejarah penemuan

   

   Tahun penemuan NMR dianggap 1945, ketika orang Amerika Felix Bloch dari Stanford dan secara independen Edward Parcell dan Robert Pound dari Harvard pertama kali mengamati sinyal NMR pada proton. Pada saat itu, banyak yang telah diketahui tentang sifat magnet nuklir, efek NMR itu sendiri secara teoritis diprediksi, dan beberapa upaya dilakukan untuk mengamatinya secara eksperimental. Penting untuk dicatat bahwa setahun sebelumnya di Uni Soviet, di Kazan, fenomena EPR ditemukan oleh Evgeny Zavoisky. Sekarang diketahui bahwa Zavoisky juga mengamati sinyal NMR, ini sebelum perang, pada tahun 1941. Namun, ia memiliki magnet berkualitas buruk dengan keseragaman medan yang buruk, hasilnya tidak dapat direproduksi dengan baik dan oleh karena itu tetap tidak dipublikasikan. Sejujurnya, perlu dicatat bahwa Zavoisky bukan satu-satunya yang mengamati NMR sebelum penemuan "resminya". Secara khusus, fisikawan Amerika Isidore Rabi (pemenang Hadiah Nobel pada tahun 1944 untuk studi sifat magnetik inti dalam berkas atom dan molekul) juga mengamati NMR pada akhir 1930-an, tetapi menganggap ini sebagai artefak instrumental. Dengan satu atau lain cara, tetapi negara kita tetap menjadi prioritas dalam deteksi eksperimental resonansi magnetik. Meskipun Zavoisky sendiri segera setelah perang mulai berurusan dengan masalah lain, penemuannya untuk pengembangan ilmu pengetahuan di Kazan memainkan peran besar. Kazan masih menjadi salah satu pusat penelitian terkemuka di dunia untuk spektroskopi EPR.

10. Hadiah Nobel dalam Resonansi Magnetik

    Pada paruh pertama abad ke-20, beberapa Hadiah Nobel diberikan kepada para ilmuwan yang tanpa karyanya penemuan NMR tidak mungkin terjadi. Diantaranya adalah Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Tapi ada empat Hadiah Nobel yang berhubungan langsung dengan NMR. Pada tahun 1952, Felix Bloch dan Edward Purcell menerima hadiah untuk penemuan NMR. Ini adalah satu-satunya Hadiah Nobel "NMR" dalam fisika. Pada tahun 1991, Richard Ernst dari Swiss, yang bekerja di ETH Zurich yang terkenal, memenangkan Hadiah Kimia. Dia dianugerahi untuk pengembangan metode spektroskopi NMR multidimensi, yang memungkinkan untuk secara radikal meningkatkan konten informasi eksperimen NMR. Pada tahun 2002, pemenang hadiah, juga dalam bidang kimia, adalah Kurt Wüthrich, yang bekerja dengan Ernst di gedung-gedung tetangga di Sekolah Teknik yang sama. Dia menerima penghargaan untuk mengembangkan metode untuk menentukan struktur tiga dimensi protein dalam larutan. Sebelum ini, satu-satunya metode yang memungkinkan penentuan konformasi spasial biomakromolekul besar hanyalah analisis difraksi sinar-X. Akhirnya, pada tahun 2003, Paul Lauterbur dari Amerika dan Peter Mansfield dari Inggris menerima Penghargaan Medis untuk penemuan pencitraan NMR. Penemu Soviet EPR E.K. Zavoisky, sayangnya, tidak menerima Hadiah Nobel.

Resonator elektromagnetik kuantum

Resonator elektromagnetik kuantum (QER) (Resonator Elektromagnetik Kuantum) adalah objek topologi tertutup dalam ruang tiga dimensi, dalam kasus umum, sebuah ''rongga'' berbentuk arbitrer, yang memiliki ''permukaan'' tertentu dengan ''ketebalan'' tertentu. Berbeda dengan kasus klasik, tidak ada "gelombang elektromagnetik" dan kehilangan radiasi di dalamnya, tetapi ada osilasi "tak berujung" dari medan elektromagnetik yang bergeser fase, yang mengikuti sifat kuantum QER.

Latar belakang

Kebetulan secara historis bahwa kuantitas reaktif fisik seperti kapasitansi dan induktansi praktis tidak dianggap tidak hanya dalam kuantum, tetapi bahkan dalam elektrodinamika teoretis klasik. Faktanya adalah bahwa yang terakhir tidak secara eksplisit termasuk dalam sistem persamaan Maxwell, sebagai akibatnya medan elektromagnetik selalu diperoleh, dan jika kadang-kadang dalam solusi yang diperoleh ada koefisien dimensi yang dapat dikaitkan dengan kapasitansi atau induktansi, maka hubungannya dengan mereka adalah tepat. Tidak kurang diketahui bahwa "pendekatan medan" mengarah pada munculnya "ketakhinggaan yang buruk" karena pertimbangan gerakan "titik matematis" (dengan muatan listrik) di bawah pengaruh medan gaya. Elektrodinamika kuantum yang diakui secara umum juga tidak luput dari "ketakhinggaan yang buruk", dalam kerangka di mana metode yang kuat dari "kompensasi ketakterhinggaan yang buruk" juga dikembangkan.

Sebaliknya, dalam fisika terapan, konsep kapasitansi dan induktansi telah digunakan secara luas, pertama dalam teknik elektro, dan kemudian dalam elektronik radio. Hasil utama penerapan parameter reaktif dalam fisika terapan saat ini adalah meluasnya penggunaan teknologi informasi, yang didasarkan pada pembangkitan, penerimaan, dan transmisi gelombang elektromagnetik pada frekuensi yang berbeda. Pada saat yang sama, kurangnya pengembangan pada tingkat teoritis konsep fisik untuk kapasitansi dan induktansi saat ini sudah menjadi, sampai batas tertentu, faktor pembatas dalam pengembangan teknologi informasi pada umumnya dan komputasi kuantum pada khususnya. Cukuplah untuk diingat bahwa pertimbangan kuantum dari osilator mekanik klasik diterapkan pada era penciptaan mekanika kuantum (sebagai salah satu ilustrasi aplikasi praktisnya), sedangkan pertimbangan kuantum dari kontur secara teoritis diajukan hanya pada awal 70-an abad ke-20, dan pertimbangan rinci baru dimulai pada pertengahan 90-an.

Untuk pertama kalinya, kebutuhan untuk memecahkan persamaan Schrödinger untuk sirkuit kuantum diajukan dalam monografi Louisell (1973) . Karena pada saat itu masih belum ada pemahaman tentang apa itu parameter reaktif kuantum (dan tidak ada contoh praktis saat itu), pendekatan ini tidak banyak digunakan. Pengenalan kapasitansi kuantum yang benar secara teoritis, yang didasarkan pada kerapatan keadaan, pertama kali diperkenalkan oleh Luria (1988) ketika mempertimbangkan efek Hall kuantum (QHE). Sayangnya, induktansi kuantum, yang juga mengikuti kepadatan keadaan, tidak diperkenalkan pada waktu itu, dan oleh karena itu pertimbangan penuh osilator reaktif kuantum tidak terjadi bahkan saat itu. Setahun kemudian, Yakimaha (1989) mempertimbangkan contoh koneksi seri-paralel sirkuit kuantum (atau lebih tepatnya, impedansinya) dalam menjelaskan QHE (bilangan bulat dan pecahan). Tetapi dalam makalah ini, sifat fisik dari parameter reaktif kuantum ini tidak dipertimbangkan, dan persamaan Schrödinger kuantum untuk osilator reaktif juga tidak dipertimbangkan. Untuk pertama kalinya, pertimbangan simultan dari semua parameter reaktif kuantum dilakukan dalam karya Yakimahi (1994), selama studi spektroskopi transistor MOS pada frekuensi rendah (rentang suara). Kapasitansi dan induktansi kuantum datar di sini memiliki ketebalan yang sama dengan panjang gelombang Compton dari sebuah elektron, dan resistansi karakteristiknya sama dengan resistansi gelombang vakum. Tiga tahun kemudian, Devoret (1997) menyajikan teori lengkap osilator reaktif kuantum (diterapkan pada efek Josephson). Penerapan parameter reaktif kuantum dalam komputasi kuantum tercakup dalam Devoret (2004).

Resonator elektromagnetik klasik

Dalam kasus umum, resonator elektromagnetik klasik (CLER) adalah rongga dalam ruang 3D. Oleh karena itu, CLER memiliki jumlah frekuensi resonansi yang tidak terbatas karena ruang tiga dimensi. Misalnya, Clair persegi panjang memiliki frekuensi resonansi berikut:

di mana ; masing-masing lebar, tebal dan panjang, konstanta dielektrik, permeabilitas relatif, konstanta magnetik, kerentanan relatif. Berbeda dengan rangkaian LC klasik, pada CER medan listrik dan magnet ditempatkan pada volume ruang yang sama. Medan elektromagnetik berosilasi ini dalam bentuk kasus klasik gelombang elektromagnetik, yang dapat dipancarkan ke dunia luar di luar resonator. Saat ini, CLARE banyak digunakan dalam rentang frekuensi radio gelombang (sentimeter dan desimeter). Selain itu, CLAE juga digunakan dalam elektronika kuantum, yang berhubungan dengan gelombang cahaya monokrom.

pendekatan kuantum

Sirkuit LC kuantum

Dalam fisika klasik kita memiliki hubungan korespondensi berikut antara mekanis dan elektrodinamika parameter fisik:

magnetis induktansi dan mekanik bobot:

;

listrik kapasitas dan sebaliknya elastisitas:

;

muatan listrik dan koordinat offset:

.

Operator momentum kuantum di ruang pengisian daya dapat disajikan dalam bentuk berikut:

di mana adalah konstanta Planck tereduksi, adalah operator momentum konjugasi kompleks. Operator Hamilton di ruang pengisian daya dapat disajikan sebagai:

di mana adalah operator muatan konjugasi kompleks, dan frekuensi resonansi. Pertimbangkan kasus tanpa disipasi energi (). Satu-satunya perbedaan antara ruang pengisian daya dan ruang koordinat 3D tradisional adalah satu-dimensinya (1D). Persamaan Schrödinger untuk rangkaian LC kuantum dapat didefinisikan sebagai:

Untuk menyelesaikan persamaan ini, perlu untuk memperkenalkan variabel tak berdimensi berikut:

di mana biaya besar. Kemudian persamaan Schrödinger mengambil bentuk persamaan diferensial Chebyshev-Hermite:

Nilai eigen untuk operator Hamilton adalah:

dimana untuk kita akan memiliki nol osilasi:

Secara umum biaya skala dapat ditulis ulang dalam bentuk:

dimana adalah konstanta struktur halus. Jelas bahwa biaya skala berbeda dari muatan "metalurgi" elektron. Selain itu, kuantisasinya akan terlihat seperti:

.

Resonator sebagai rangkaian LC kuantum

Pendekatan Luria, menggunakan kerapatan keadaan energi (DOS), memberikan definisi berikut untuk kapasitansi kuantum:

dan induktansi kuantum:

di mana adalah luas permukaan resonator, dan PES dalam ruang dua dimensi (2D), muatan listrik (atau fluks), dan muatan magnet (atau fluks). Perlu dicatat bahwa aliran ini akan ditentukan kemudian dengan kondisi tambahan.

Energi yang terakumulasi pada kapasitansi kuantum:

Energi yang tersimpan pada induktansi kuantum:

Frekuensi sudut resonator:

Hukum kekekalan energi:

Persamaan ini dapat ditulis ulang menjadi:

dari mana dapat dilihat bahwa "muatan" ini sebenarnya adalah "aliran medan", dan bukan "muatan metalurgi".

Impedansi karakteristik resonator:

di mana adalah kuantum fluks magnet.

Dari persamaan di atas, kita dapat menemukan nilai fluks medan listrik dan magnet sebagai berikut:

Perlu diingatkan sekali lagi bahwa besaran ini bukanlah "muatan metalurgi", tetapi nilai amplitudo maksimum fluks medan, yang menjaga keseimbangan energi antara energi osilasi resonator dan energi total pada kapasitansi dan induktansi. .

EVOLUSI RESONATOR ELEKTROMAGNETIK

Resonator dapat mempertahankan osilasi periodik yang disebabkan oleh pulsa eksternal untuk waktu yang lama. Resonator memiliki selektivitas frekuensi sehubungan dengan efek harmonik eksternal: amplitudo osilasinya maksimum pada frekuensi resonansi dan berkurang dengan jarak darinya. Osilasi dalam resonator elektromagnetik mewakili transformasi timbal balik medan listrik dan magnet. Resonator banyak digunakan dalam perangkat teknik radio, menjadi bagian integral dari banyak amplifier, sebagian besar generator, penerima, filter frekuensi, dan pengukur frekuensi.

Resonator elektromagnetik paling sederhana adalah (sirkuit LC berosilasi. Mudah untuk menetapkan bahwa energi listrik dihasilkan dalam kapasitor, dan cadangan magnet dibuat di induktor. Transisi energi dari medan listrik ke medan magnet disertai oleh pergerakan energi spasial dari kapasitor ke induktansi. Dimensi rangkaian harus kecil dibandingkan dengan panjang gelombang. Sudah dalam rentang panjang gelombang meter, rangkaian berhenti bekerja dengan memuaskan: kapasitansi antar utas kumparan, induktansi input dan pelat kapasitor mempengaruhi. Peningkatan frekuensi membutuhkan pengurangan ukuran kumparan dan kapasitor, yang memerlukan penurunan daya osilasi yang diijinkan.

Dalam rentang desimeter dan gelombang yang lebih pendek (sebagian dalam rentang meter), resonator digunakan di mana osilasi elektromagnetik terjadi di dalam volume terbatas; oleh karena itu mereka disebut volumetrik.

Transformasi bertahap dari sirkuit menjadi resonator rongga ditunjukkan pada Gambar. 11.1. Biarkan sirkuit (Gbr. 11.1a) dirancang untuk frekuensi yang sangat tinggi dan hanya memiliki satu putaran. Dimasukkannya beberapa belokan lagi yang sejajar dengannya (Gbr. 11.16) meningkatkan frekuensi osilasi sistem ini dan mengurangi radiasi berbahaya ke luar angkasa. Menggabungkan semua belokan menjadi permukaan revolusi kontinu (Gbr. 11.1 c) mengarah ke resonator toroidal yang sepenuhnya terlindung dengan frekuensi osilasi yang lebih tinggi; resonator ini termasuk dalam kelas quasi-stationary.

Resonator kuasi-stasioner telah dengan jelas mendefinisikan daerah keberadaan medan listrik dan magnet, yang setara dengan kapasitansi dan induktansi; kita dapat berasumsi bahwa resonator seperti itu adalah rangkaian osilasi yang sepenuhnya terlindung. Dimensi resonator kuasi-stasioner kecil dibandingkan dengan panjang gelombang osilasi alaminya.

Dengan menyebarkan pelat (kapasitor), kami mengubah batas resonator menjadi permukaan cembung, misalnya, permukaan bola (Gbr. 11.1 d).Frekuensi alami ini akan semakin meningkat dan panjang gelombang akan menjadi sebanding dengan dimensi resonator. Sekarang seluruh volume resonator hampir sama diisi dengan nol listrik dan magnetik, oleh karena itu, dimungkinkan untuk memilih daerah yang terpisah dengan sifat kapasitansi dan induktansi. Medan dalam resonator rongga seperti itu suatu jenis dapat direpresentasikan sebagai jumlah gelombang parsial yang dipantulkan secara berurutan dari dindingnya.Resonansi terjadi jika gelombang yang bersirkulasi di dalam resonator tiba di titik tertentu selalu dalam satu fase dan fase yang sama Penambahan medan dalam fase tersebut secara signifikan meningkatkan amplitudo getaran.

Perubahan signifikan terjadi selama pengembangan rentang optik, di mana panjang gelombang jauh lebih kecil daripada dimensi resonator. Pada saat yang sama, volume tertutup dengan dinding logam harus ditinggalkan. Resonator rongga terbuka yang menghasilkan gelombang optik hanya mempertahankan sebagian dari dinding pemantul. Dalam kasus yang paling sederhana, mereka adalah sistem dua cermin berlawanan yang terbuat dari dielektrik multilayer yang memantulkan gelombang elektromagnetik satu sama lain.

GETARAN SENDIRI DAN PAKSA

Osilasi alami, seperti yang diketahui dari teori rangkaian osilasi, muncul di resonator di bawah aksi pulsa eksternal, ketika sebagian energi memasukinya. Setelah proses pembentukan, mereka menjadi teredam enharmonik dan bergantung pada waktu menurut hukum:

di mana (Oc adalah frekuensi melingkar alami osilasi, konstanta waktu resonator, faktor kualitas intrinsik resonator, frekuensi alami kompleks osilasi.

Rongga resonator memiliki sejumlah osilasi alami, yang masing-masing sesuai dengan struktur medan tertentu dan nilai-nilai tertentu.Oleh karena itu, pulsa elektromagnetik eksternal menciptakan osilasi kompleks dalam resonator, yang terdiri dari sejumlah komponen frekuensi dalam bentuk (11.1) .

Osilasi paksa disebabkan (oleh pengaruh periodik eksternal, sementara energi memasuki sistem setiap periode. Jika frekuensi osilasi ini bertepatan dengan salah satu frekuensi resonansi sistem osilasi, resonansi terjadi, (disertai dengan peningkatan tajam dalam amplitudo osilasi Cadangan energi listrik dan energi magnet pada resonansi resonator rata-rata untuk periode tersebut adalah sama, sehingga energi tersebut dipindahkan seluruhnya dari satu (keadaan ke keadaan lain). Jalur komunikasi dari (sumber luar) disalurkan ke sistem osilasi hanya sejumlah kecil energi yang diperlukan untuk mengisi kembali kehilangan panas.

PARAMETER RONGGA DALAM MODE OSilasi PAKSA

Frekuensi resonansi atau hanya sedikit berbeda dari frekuensi alami. Misalnya, pada perbedaan ini (kurang dari. Nilai ditentukan oleh dimensi geometris resonator dan struktur medan elektromagnetik dari osilasi yang dipertimbangkan. Studi tentang jenis osilasi tertentu, terlepas dari yang lain, hanya mungkin terjadi pada pita yang relatif sempit di dekat jika jenis osilasi lain memiliki frekuensi resonansi yang cukup jauh dari atau tidak berhubungan dengan eksitasi.

Faktor kualitas dapat ditentukan melalui parameter energi. (Dalam teori rangkaian di mana induktansi kumparan, resistansi (rugi. Kalikan pembilang dan penyebut dari rumus ini (dengan

Energi yang tersimpan dalam resonator pada saat resonansi. Ini sama dengan dua kali energi magnetik dalam induktansi karena fakta bahwa rata-rata kehilangan daya di resonator selama periode tersebut.

Oleh karena itu, faktor kualitas intrinsik resonator dinyatakan sebagai:

yaitu sama dengan dikalikan dengan rasio energi yang terakumulasi dalam resonator pada [resonansi, kehilangan energi (dalam resonator untuk satu periode. Rumus (11.2) untuk lebih universal daripada rasio asli. Ini termasuk jumlah energi yang mudah ditentukan untuk sistem apapun.

Resistansi input pada resonansi (atau konduktivitas diukur pada saluran di pintu masuk ke resonator di depan perangkat komunikasi (Gbr. 11.2) Kita akan menyebut bagian garis ini sebagai bidang referensi. Dalam keadaan tunak, daya adalah yang dikonsumsi dari generator sama dengan rugi-rugi daya pada resonator

Jadi, resistansi adalah ukuran kerugian dalam resonator. Nilainya tergantung pada desain perangkat komunikasi dan lokasi penyertaannya dalam resonator tertentu.

Karakteristik resonansi - ketergantungan frekuensi dari resistansi input kompleks resonator atau konduktivitas input Dengan demikian, di (resonansi paralel