Эффект Оверхаузера

Эффект Оверхаузера — увеличение поляризации ядерной магнитной системы и, как следствие, ядерного магнитного резонанса при насыщении электронного парамагнитного резонанса. Предсказан в 1953 г. А. Оверхаузером для взаимодействия спиновых систем электронов проводимости и ядер в металлах^[1].

Общий эффект Оверхаузера

Общим эффектом Оверхаузера (ОЭО) называется явление резкого (в несколько сот раз) увеличения сигнала ЯМР при насыщении ЭПР подходящего парамагнитного вещества. Условием возникновения ОЭО является возможность процессов релаксации, в которых происходит одновременное изменение ориентации электронного (e) и ядерного (N) спинов, т.е. $\alpha_e \beta_N \leftrightarrow \beta_e \alpha_N$ или $\alpha_e \alpha_N \leftrightarrow \beta_e \beta_N$. В результате взаимодействия спинов ядра со спинами ансамбля электронов в насыщенном состоянии разность заселённость спиновых состояний и, следовательно, интенсивность сигнала ОЭО увеличится в f раз: $f=(1+\frac{g\beta}{g_N\beta_N})$, где g - безразмерная постоянная, так называемый g-фактор, равный для свободного электрона 2,0023, $\beta$ - электронный магнетон Бора, $g_N, \beta_N$ - эти же величины для ядра. В действительности усиление линий ЯМР существенно меньше по разным причинам.

Ядерный эффект Оверхаузера

Ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО) называется явление резкого изменения интенсивности сигнала ЯМР при взаимодействии спинов разных ядер, например X и Y. Увеличение интенсивности сигнала ядер X при резонансном облучении ядер Y тем сильнее, чем больше вклад магнитного диполь-дипольного взаимодействия ядер X и Y в релаксацию ядер X. Максимально возможное повышение интенсивности сигнала X в условиях полной развязки от ядер Y вычисляется по формуле: $\frac{I_2}{I_1}=1+\frac{1}{2}\frac{\gamma_X}{\gamma_Y}$, где I₁ и I₂ - интенсивности в спектрах монорезонанса и двойного резонанса, $\gamma_X$ и $\gamma_Y$ - гиромагнитные отношения ядер X и Y.Чем сильнее взаимодействие ядер X и Y, тем сильнее эффект.

Применение на практике

Междуатомные расстояния, определяемые по методу ЯЭО часто способны помочь определить трёхмерную структуру молекул. В 2002 К. Вютрих получил Нобелевскую премию по химии за «разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе».

Примечания

1. ↑ Gabriele F. Giuliani and Samuel A. Werner Albert Warner Overhauser (англ.) // Physics Today. — 2012. — Vol. 65. — P. 69. — DOI:10.1063/PT.3.1758

Литература

1. Overhauser, Albert W. (1953). «Polarization of Nuclei in Metals». Physical Review 92 (2): 411-415. DOI:10.1103/PhysRev.92.411. Проверено 2012-08-02.
2. Воронов В.К., Подоплелов А.В. Современная физика: Учебное пособие. - М.: КомКнига, 2005. - 512 с., 2005 г., ISBN 5-484-00058-0, тир. 5000 экз., Гл. 6. Строение и динамика молекул, п. 6.1. Магнитный резонанс, п.п. 6.1.12. Эффект Оверхаузера, c. 354-359.
3. NMR studies of structure and function of biological macromolecules, Нобелевская речь К. Вютриха, 8 декабря 2002 г.