FIZYKA i BIOFIZYKA Prezentacja do wykładu 5

FIZYKA i BIOFIZYKAFIZYKA i BIOFIZYKA Prezentacja do wykładu 5.Prezentacja do wykładu 5.

Elementy fizyki jądrowej.Elementy fizyki jądrowej.Magnetyczny rezonans jądrowy. Magnetyczny rezonans jądrowy.

Dr Dorota WierzuchowskaDr Dorota Wierzuchowska

Fizyka i chemia są ze sobą ściśle powiązane i Fizyka i chemia są ze sobą ściśle powiązane i stanowią podstawę wszystkich innych nauk stanowią podstawę wszystkich innych nauk przyrodniczych.przyrodniczych.

Chemia bada substancje i ich przemiany Chemia bada substancje i ich przemiany jakościowe, reakcje chemiczne na drodze jakościowe, reakcje chemiczne na drodze których jedne związki chemiczne przechodzą których jedne związki chemiczne przechodzą w inne.w inne.

Pierwiastek chemiczny-atomPierwiastek chemiczny-atom

Podstawowym pojęciem w chemii jest Podstawowym pojęciem w chemii jest pierwiastek chemiczny. Jest to substancja pierwiastek chemiczny. Jest to substancja prosta, której nie da się metodami prosta, której nie da się metodami chemicznymi rozdzielić na składniki. chemicznymi rozdzielić na składniki. Pierwiastek często jest definiowany jako zbiór Pierwiastek często jest definiowany jako zbiór atomów.atomów.

Atomy składają się z jądra i otaczających to Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. jądro elektronów.

Układ okresowy pierwiastkówUkład okresowy pierwiastkówhttp://pomocedlaszkol.isu.pl/?id=pokaz_produkt&id_prod=22343http://pomocedlaszkol.isu.pl/?id=pokaz_produkt&id_prod=22343

Tablica Mendelejewa w Tablica Mendelejewa w wersji anglojęzycznej, wersji anglojęzycznej, wykonana ściśle na wzór 5. wykonana ściśle na wzór 5. edycji przygotowanej przez edycji przygotowanej przez samego Mendelejewa w samego Mendelejewa w 1891 r 1891 r

http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_okresowy_pierwiastk%C3%B3whttp://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_okresowy_pierwiastk%C3%B3w

Fizyka atomowaFizyka atomowa - dział fizyki zajmujący się - dział fizyki zajmujący się stanami elektronowymi w atomie, a więc stanami elektronowymi w atomie, a więc wszystkim co określa własności chemiczne wszystkim co określa własności chemiczne ciał.ciał.

Fizyka jądrowaFizyka jądrowa - dział fizyki zajmujący się - dział fizyki zajmujący się jądrami atomów, bada budowę i stabilność jądrami atomów, bada budowę i stabilność jąder. jąder.

Odkrycie jądra atomowegoOdkrycie jądra atomowego

W roku 1911 Rutherford, angielski fizyk i chemik W roku 1911 Rutherford, angielski fizyk i chemik wykonał eksperyment potwierdzający istnienie jadra wykonał eksperyment potwierdzający istnienie jadra atomowego. Cząstki alfa przepuścił przez bardzo atomowego. Cząstki alfa przepuścił przez bardzo cienką złotą folię. Rozkład kątowy rozproszonych cienką złotą folię. Rozkład kątowy rozproszonych cząstek skłonił Rutherforda do wysnucia wniosku, że cząstek skłonił Rutherforda do wysnucia wniosku, że cała masa oraz dodatni ładunek cała masa oraz dodatni ładunek atomuatomu skupiony jest skupiony jest w bardzo niewielkiej objętości. W ten sposób w bardzo niewielkiej objętości. W ten sposób potwierdził on eksperymentalnie istnienie jądra potwierdził on eksperymentalnie istnienie jądra atomowego.atomowego.

Eksperyment RutherfordaEksperyment Rutherfordahttp://http://physics.nad.ruphysics.nad.ru//PhysicsPhysics//EnglishEnglish//el.htmel.htm

Jądro atomoweJądro atomowe to to centralna część atomu centralna część atomu zbudowana z jednego lub zbudowana z jednego lub więcej protonów i więcej protonów i neutronów, zwanych neutronów, zwanych nukleonami. Jądra mają nukleonami. Jądra mają rozmiary rzędu 10rozmiary rzędu 10-14-14 – –

1010-15-15 m, co stanowi około m, co stanowi około 1/100000 rozmiaru i 1/100000 rozmiaru i ponad 99,9% masy atomu. ponad 99,9% masy atomu. 1cm1cm33 materii jądrowej ma materii jądrowej ma masę około 10masę około 108 8 tonton

http://pl.wikipedia.org/wiki/Atom.http://pl.wikipedia.org/wiki/Atom.

Jądro atomowe Jądro atomowe zzXX

X.

.

masowaAl

atomowaZlA –liczba nukleonów w jądrze

Z –liczba protonów w jądrze

Jądro atomoweJądro atomowe

Jest układem nukleonów- protonów i neutronów. Jest układem nukleonów- protonów i neutronów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra, Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra, decyduje o tym jakiego decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznegopierwiastka chemicznego jest jest to atom i o przebiegu to atom i o przebiegu reakcji chemicznychreakcji chemicznych..

Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowyefekt izotopowy, , różne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco różne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco inne własności chemiczne i fizyczne. inne własności chemiczne i fizyczne.

Tabela nuklidówTabela nuklidów

przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy (jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i (jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i neutronów.neutronów.

Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się liczbami masowymi.liczbami masowymi.

Izobary-atomy o tej samej liczbie masowejIzobary-atomy o tej samej liczbie masowej Izotony-atomy o tej samej liczbie neutronówIzotony-atomy o tej samej liczbie neutronów Izomery-o identycznej liczbie protonów i neutronów, Izomery-o identycznej liczbie protonów i neutronów,

jednakże różniące się stanem kwantowymjednakże różniące się stanem kwantowym

JednostkiJednostki

Jednostka masy atomowej u została Jednostka masy atomowej u została zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla 1212CC

u=1,6605387313x10u=1,6605387313x10-27-27kgkg wyrażona w elektronowoltach wyrażona w elektronowoltach

u=931,48 MeVu=931,48 MeV Ładunek elementarny e (ładunek elektronu)Ładunek elementarny e (ładunek elektronu)

e=1,602 176 53(14)x10e=1,602 176 53(14)x10-19-19CC

ElektronowoltElektronowolt

ElektronowoltElektronowolt ( (eVeV) – jednostka energii ) – jednostka energii stosowana w fizyce. stosowana w fizyce.

Jeden elektronowolt jest to energia, jaką Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron będąc przyspieszonym uzyskuje elektron będąc przyspieszonym różnicą potencjałów równą 1 woltowi:różnicą potencjałów równą 1 woltowi:

1eV=1e · 1V ≈ 1,602 176 53 ×101eV=1e · 1V ≈ 1,602 176 53 ×10-19-19 J J

1 J ≈ 6,241 509 47(53) ×101 J ≈ 6,241 509 47(53) ×101818 eV eV

ProtonProton Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni

ładunek elektrycznyładunek elektryczny i masę atomową równą 1, zapisywany i masę atomową równą 1, zapisywany jako jako +p1+p1 lub H lub H++..

Masa spoczynkowa: Masa spoczynkowa:

mmpp = 1,67262171(29) x 10 = 1,67262171(29) x 10 -27-27 kg = 938,272029(80) kg = 938,272029(80) MeVMeV//cc² = ² = 1,00727646688 1,00727646688 uu

Spin: 1/2Spin: 1/2 Samotny proton to jądro Samotny proton to jądro 11HH, proton związany z , proton związany z neutronemneutronem to to

jądro jądro deuterudeuteru - ²H ( - ²H (deuterondeuteron). Liczba protonów w jądrze ). Liczba protonów w jądrze danego atomu to jego danego atomu to jego liczba atomowaliczba atomowa,,

NeutronNeutron NeutronNeutron (z łac (z łac neuterneuter "obojętny" ) jest obojętny elektrycznie. "obojętny" ) jest obojętny elektrycznie. masa spoczynkowa wynosi ok. 1,00866491578 u, czyli 1,6749272 x 10-27 masa spoczynkowa wynosi ok. 1,00866491578 u, czyli 1,6749272 x 10-27

kg (jest nieco większa od masy protonu).kg (jest nieco większa od masy protonu). SpinSpin: 1/2: 1/2 Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się bardzo Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się bardzo

wolno (jak na cząstkę subatomową), jego wolno (jak na cząstkę subatomową), jego średni czas życiaśredni czas życia to 885,7 s (ok. to 885,7 s (ok. 15 min.):15 min.):

Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy "beta".Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy "beta".

Siły jądroweSiły jądrowe

Oddziaływania silne wiążą nukleony w jądrzeOddziaływania silne wiążą nukleony w jądrze Mają krótki zasięg, do 2x10Mają krótki zasięg, do 2x10-15-15m, dla odległości m, dla odległości

mniejszych niż 10mniejszych niż 10-15-15m są siłami m są siłami odpychającymi, powyżej-przyciągającymi.odpychającymi, powyżej-przyciągającymi.

Nie są centralne, zależą również od orientacji Nie są centralne, zależą również od orientacji spinówspinów

Mają właściwość „wysycania”Mają właściwość „wysycania” Wielkość tych sił prawie nie zależy od ładunkuWielkość tych sił prawie nie zależy od ładunku

Modele jądroweModele jądrowe

Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy, Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy, nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy. cieczy.

Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z energiami kolejnych powłok. energiami kolejnych powłok.

Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc nowe cząstki wewnątrz jądra nowe cząstki wewnątrz jądra

Deficyt masyDeficyt masy Deficyt masyDeficyt masy (niedobór masy, defekt masy) - różnica Δm ) - różnica Δm

między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądraenergii wiązania jądra

ΔE= ΔE= ΔmΔmcc22=={[Zm{[Zmp p + (A-Z)m+ (A-Z)mnn]-m]-mjj}c}c22

gdzie:gdzie: nuklidnuklid zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A) zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A) mp=1,00727 - masa mp=1,00727 - masa protonuprotonu w w jednostkach masy atomowejjednostkach masy atomowej mn=1,00866 - masa mn=1,00866 - masa neutronuneutronu mmjj - masa jądra nuklidu - masa jądra nuklidu c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni

Energia wiązaniaEnergia wiązania

Reakcje jądroweReakcje jądrowe

Reakcja fuzji Reakcja fuzji termojądrowej, jądra termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana neutron i wydzielana jest energia.jest energia.

PromieniotwórczośćPromieniotwórczość

Reakcje jądrowe spontaniczne- Reakcje jądrowe spontaniczne- promieniotwórczość naturalnapromieniotwórczość naturalna

Reakcje jądrowe wymuszone- Reakcje jądrowe wymuszone- promieniotwórczość „sztuczna”promieniotwórczość „sztuczna”

Prawo rozpadu promieniotwórczegoPrawo rozpadu promieniotwórczego

Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje określone prawdopodobieństwo określone prawdopodobieństwo , że ulegnie ono , że ulegnie ono przemianie promieniotwórczej w danym czasie.przemianie promieniotwórczej w danym czasie.

Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu krótkiego czasu dt wynosi:krótkiego czasu dt wynosi:

dN=- NdN=- N dt dt Jeżeli NJeżeli No o to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t

pozostanie N atomów jakie się nie rozpadłypozostanie N atomów jakie się nie rozpadłyN(t)= NN(t)= Nooee- - tt

Okres połowicznego rozpaduOkres połowicznego rozpadu

Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa jąder istniejących w chwili czasu t=0.jąder istniejących w chwili czasu t=0.

NNoo/2= N/2= Nooee- - TT

T=ln2/T=ln2/0.6930.693 T zawiera się w granicach od 3x10T zawiera się w granicach od 3x10-7-7s do s do

1,4x101,4x1027 27 latlat

Aktywność AAktywność A

Aktywność jest to liczba przemian jądrowych Aktywność jest to liczba przemian jądrowych N zachodzących w czasie N zachodzących w czasie t t

A=A=N/N/tt Jednostką aktywności w układzie SI jest jeden Jednostką aktywności w układzie SI jest jeden

bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w którym zachodzi w czasie 1 sekundy jeden którym zachodzi w czasie 1 sekundy jeden rozpad promieniotwórczyrozpad promieniotwórczy

Rozpad alfaRozpad alfa

Rozpad alfaRozpad alfa (przemiana α) - (przemiana α) - przemiana jądrowaprzemiana jądrowa, w której emitowana jest , w której emitowana jest cząstka αcząstka α (jądro (jądro heluhelu 44

22HeHe2+2+). Strumień ). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to się jądra to promieniowanie alfapromieniowanie alfa. W wyniku tej . W wyniku tej reakcji powstające jądro ma reakcji powstające jądro ma liczbę atomowąliczbę atomową mniejszą o 2, a mniejszą o 2, a liczbę masowąliczbę masową o 4 od o 4 od rozpadającego się jądra. rozpadającego się jądra.

Rozpad betaRozpad beta

Rozpad betaRozpad beta to przemiana nukleonu w inny to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy oddziaływania słabego. Wyróżniamy nasteujące rodzaje tego rozpadu: rozpad β − nasteujące rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) oraz rozpad β + (beta plus) oraz (beta minus) oraz rozpad β + (beta plus) oraz wychwyt K.wychwyt K.

Rozpad beta minusRozpad beta minus

Rozpad β Rozpad β -- − − polega na przemianie neutronu polega na przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i antyneutrina w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego według schematu:elektronowego według schematu:

_

epn

Rozpad beta plusRozpad beta plus

Rozpad β −Rozpad β − polega na przemianie protonu w polega na przemianie protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego według schematu:elektronowego według schematu:

enp

Wychwyt KWychwyt K

Wychwyt elektronuWychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane. które jest emitowane.

Promieniowanie gammaPromieniowanie gamma

Promieniowanie gammaPromieniowanie gamma to wysokoenergetyczna to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego forma promieniowania elektromagnetycznego powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc 10częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc 1018 18

herca), a długości fali mniejszej od 124 pm, herca), a długości fali mniejszej od 124 pm, jonizujące i przenikliwe. Zakres ten częściowo jonizujące i przenikliwe. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. rentgenowskiego.

Przenikliwość promieniowaniaPrzenikliwość promieniowania

Promieniowanie jonizującePromieniowanie jonizujące

wszystkie rodzaje promieniowania, które wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, beta, gamma oraz promieniowanie beta, gamma oraz promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od elektromagnetyczne o energii większej od energii światła widzialnego.energii światła widzialnego.

Oddziaływanie promieniowania Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materiaelektromagnetycznego z materia

JonizacjaJonizacja Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja)Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja) wtórne rentgenowskie promieniowanie wtórne rentgenowskie promieniowanie

charakterystycznecharakterystyczne Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzneZjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne Zjawisko ComptonaZjawisko Comptona RozpraszanieRozpraszanie Tworzenie parTworzenie par

Oddziaływanie promieniowania Oddziaływanie promieniowania korpuskularnego z materiąkorpuskularnego z materią

Cząstki naładowane:Cząstki naładowane: Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania

kulombowskiekulombowskie Wzbudzenie optyczne i rentgenowskieWzbudzenie optyczne i rentgenowskie

Cząstki nienaładowane:Cząstki nienaładowane: Jonizacja wtórnaJonizacja wtórna Powstawanie jonizujących jąder odrzutuPowstawanie jonizujących jąder odrzutu Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia,

rozpraszanie niesprężyste, wychwytrozpraszanie niesprężyste, wychwyt

RadiobiologiaRadiobiologia

Badanie skutków działania promieniowania na Badanie skutków działania promieniowania na organizmy żyweorganizmy żywe

Skutki mogą być Skutki mogą być genetyczne- uszkodzenie DNAgenetyczne- uszkodzenie DNA somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie

komórekkomórek

Napromieniowanie może nastąpić poprzez źródła Napromieniowanie może nastąpić poprzez źródła zewnętrzne- aparatura rentgenowska i izotopy zewnętrzne- aparatura rentgenowska i izotopy

wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, zwiększona zawartość izotopów na niektórych zwiększona zawartość izotopów na niektórych terenachterenach

wewnętrzne- nuklidy które zostały wprowadzone do wewnętrzne- nuklidy które zostały wprowadzone do organizmu przypadkowo lub celowo przy organizmu przypadkowo lub celowo przy wykonywaniu badań medycznychwykonywaniu badań medycznych

Działanie promieniowania na Działanie promieniowania na organizmy żyweorganizmy żywe

Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha polimerów.zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha polimerów.

Pośrednie- radioliza wody, produkcja wolnych Pośrednie- radioliza wody, produkcja wolnych rodników i wody utlenionej, utlenianie rodników i wody utlenionej, utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych, reakcje nienasyconych kwasów tłuszczowych, reakcje prowadzące do rozpadu białek, zakłócenie czynności prowadzące do rozpadu białek, zakłócenie czynności życiowych, śmierć.życiowych, śmierć.

Wrażliwość narządów na Wrażliwość narządów na promieniowania jonizującepromieniowania jonizujące

Grupa IGrupa I Gonady i szpik czerwonyGonady i szpik czerwony

Grupa IIGrupa II Mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, Mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, śledziona, nerki, przewód pokarmowy, śledziona, nerki, przewód pokarmowy, płucapłuca

Grupa IIIGrupa III Kości, tarczyca, skóraKości, tarczyca, skóra

Grupa IVGrupa IV Ręce, przedramiona, stopyRęce, przedramiona, stopy

Zastosowania w medycynie, biologii i Zastosowania w medycynie, biologii i ochronie środowiskaochronie środowiska

W terapii nowotworów napromieniowanie W terapii nowotworów napromieniowanie zewnętrzne (bomba kobaltowa) i wewnętrzne zewnętrzne (bomba kobaltowa) i wewnętrzne (igły radowe)(igły radowe)

Badanie struktury i funkcji narządów za Badanie struktury i funkcji narządów za pomocą substancji znakowanychpomocą substancji znakowanych

Metody badawcze: metoda rozcieńczeniowa i Metody badawcze: metoda rozcieńczeniowa i analiza aktywacyjnaanaliza aktywacyjna

Ochrona przed skutkami działania Ochrona przed skutkami działania promieniowaniapromieniowania

Stosowanie osłonStosowanie osłon Zachowanie bezpiecznej odległości od źródełZachowanie bezpiecznej odległości od źródeł Skrócenie czasu pracy ze źródłami Skrócenie czasu pracy ze źródłami

promieniowaniapromieniowania DozymetriaDozymetria Badania okresoweBadania okresowe

SPINSPIN

SpinSpin jest to własny, nie wynikający z ruchu jest to własny, nie wynikający z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu w układzie, w którym ona spoczywa.w układzie, w którym ona spoczywa.

Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta jest oznaczana symbolem "s" i może jest oznaczana symbolem "s" i może przyjmować wartość ułamkową ½.przyjmować wartość ułamkową ½.

Spin jądrowySpin jądrowy

Niezerowy spin jądrowy posiadają atomy o Niezerowy spin jądrowy posiadają atomy o nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1-H, nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1-H, węgiel 13-C, azot 15-N, tlen 17-O, fluor 19-F, sód węgiel 13-C, azot 15-N, tlen 17-O, fluor 19-F, sód 23-Na i fosfor 31-P). W uproszczeniu spin jądrowy 23-Na i fosfor 31-P). W uproszczeniu spin jądrowy zawiązany jest z rotowaniem jądra wokół własnej osi zawiązany jest z rotowaniem jądra wokół własnej osi i z wewnętrznym momentem pędu jądra. Każde jądro i z wewnętrznym momentem pędu jądra. Każde jądro jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, stąd jego spin generuje bardzo słabe pole stąd jego spin generuje bardzo słabe pole magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego μ.μ.

Magnetyczny rezonans jądrowyMagnetyczny rezonans jądrowy

Podstawą zjawiska MRJ jest oddziaływanie Podstawą zjawiska MRJ jest oddziaływanie spinów jądrowych z polami magnetycznymi:spinów jądrowych z polami magnetycznymi:

stałym polem magnetycznym Bstałym polem magnetycznym Bzz, które jest , które jest wytwarzane magnesami, wytwarzane magnesami,

zmiennym polem magnetycznym Bzmiennym polem magnetycznym Bxyxy, , skierowanym prostopadle do osi z skierowanym prostopadle do osi z

zmiennymi polami lokalnymi generowanymi zmiennymi polami lokalnymi generowanymi przez sąsiednie jądra atomów oraz znajdujące przez sąsiednie jądra atomów oraz znajdujące się na nich chmury elektronowe. się na nich chmury elektronowe.

Precesja momentów magnetycznychPrecesja momentów magnetycznych

W polu magnetycznym orientacja wektora W polu magnetycznym orientacja wektora momentu magnetycznego jądra podlega momentu magnetycznego jądra podlega kwantyzacji przestrzennej, dozwolone są tylko kwantyzacji przestrzennej, dozwolone są tylko pewne ustawienia względem kierunku pola. pewne ustawienia względem kierunku pola. Związane są z tym dozwolone poziomy Związane są z tym dozwolone poziomy energetyczneenergetyczne

Momenty magnetyczne wykonują precesję Momenty magnetyczne wykonują precesję względem kierunku tego pola z częstością:względem kierunku tego pola z częstością:

= = BBzz

MagnetyzacjaMagnetyzacja

Wypadkowy wektor magnetyzacji próbki jest Wypadkowy wektor magnetyzacji próbki jest złożeniem poszczególnych momentów złożeniem poszczególnych momentów magnetycznych jąder. Ma on kierunek osi z.magnetycznych jąder. Ma on kierunek osi z.

Warunki rezonansuWarunki rezonansu

Po zadziałaniu impulsu prostopadłego do BPo zadziałaniu impulsu prostopadłego do Bz z

zmiennego pola magnetycznego o częstości zmiennego pola magnetycznego o częstości następuje rezonansowe pochłanianie energii następuje rezonansowe pochłanianie energii pola magnetycznego i przejścia jąder pola magnetycznego i przejścia jąder pomiędzy dozwolonymi stanami pomiędzy dozwolonymi stanami energetycznymi. Wektor magnetyzacji obraca energetycznymi. Wektor magnetyzacji obraca się, maleje magnetyzacja wzdłuż osi z, się, maleje magnetyzacja wzdłuż osi z, pojawia się magnetyzacja prostopadła w pojawia się magnetyzacja prostopadła w plaszczyźnie xyplaszczyźnie xy

RelaksacjaRelaksacja

Następnie w wyniku tzw. procesów relaksacji Następnie w wyniku tzw. procesów relaksacji następuje odnowienie magnetyzacji podłużnej następuje odnowienie magnetyzacji podłużnej (relaksacja podlużna) i zanik magnetyzacji (relaksacja podlużna) i zanik magnetyzacji poprzecznej (relaksacja poprzeczna).poprzecznej (relaksacja poprzeczna).

Sygnał zaniku swobodnej precesjiSygnał zaniku swobodnej precesji

Rejestrowany jest tzw. sygnału zaniku swobodnej Rejestrowany jest tzw. sygnału zaniku swobodnej precesji (ang. Free Induction Decay, precesji (ang. Free Induction Decay, FIDFID), który ), który niesie w sobie informację m.in. o oddziaływaniach niesie w sobie informację m.in. o oddziaływaniach spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, wytworzone jest przez obsadzone wytworzone jest przez obsadzone orbitaleorbitale elektronowe elektronowe

Obrazowanie MRJObrazowanie MRJ

Podstawą obrazowania jest wykorzystanie tzw. Podstawą obrazowania jest wykorzystanie tzw. gradientów pola magnetycznego, które gradientów pola magnetycznego, które różnicują pole wewnątrz obrazowanego różnicują pole wewnątrz obrazowanego obiektu. Pozwala to na spełnienie obiektu. Pozwala to na spełnienie selektywnych warunków rezonansowych i selektywnych warunków rezonansowych i rejestrację sygnału z wybranych fragmentów rejestrację sygnału z wybranych fragmentów obiektu. MRI jest dzisiaj podstawową metodą obiektu. MRI jest dzisiaj podstawową metodą diagnostyczną. diagnostyczną.

Aparatura do wykonywania Aparatura do wykonywania rezonansu magnetycznegorezonansu magnetycznego

Obrazowanie MRJObrazowanie MRJ

Animowana sekwencja Animowana sekwencja przekrojów strzałkowych przekrojów strzałkowych ludzkiego mózgu ludzkiego mózgu

Obrazowanie MRJObrazowanie MRJ

AngiografiaAngiografia MR. MR. Skan fMRI mózguSkan fMRI mózgu

Serce myszy Serce myszy – projekcja czterojamowa– projekcja czterojamowa