Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинновол­новую область относительно спектра поглощения того же соеди­нения. 3 страница

Молекулы родопсина пронизывают липидный бислой мембран зрительных дисков. Для нормальной фоторецепции очень важно, чтобы молекулы пигмента могли совершать быструю латераль­ную диффузию и находились в очень «мягком» окружении в мембране, так как молекулы пигмента после поглощения фотона претерпевают значительные конформационные перестройки. Ни­зкая вязкость липидного слоя обусловлена очень высоким (до 50%) содержанием полиненасыщенной докозагексеновой жирной кислоты (22 : 6 — она содержит 22 атома углерода и 6 ненасыщен­ных двойных связей). Однако по этой же причине в липидах мембран могут легко активироваться процессы пероксидного окисления, что, по-видимому, лежит в основе ряда заболеваний глаз.

Зрительный пигмент родопсин — сложный белок. Он состоит из гликопротеидной части — опсина и хромофорной группы — ре-тинальдегида, или просто ретиналя. Ретиналь может иметь не­сколько пространственных изомеров, например 9-цис-ретиналь, 11-цис-ретиналь, полностью-транс-ретиналь и др. Вся совокуп­ность фотохимических превращений родопсина зиждется на двух фундаментальных явлениях. Во-первых, ретиналь под действием света способен переходить в различные цис-транс-изомеры, наи­более важные из которых (11-цис- и полностью-транс-ретиналь) изображены на рис. 24.27. Во-вторых, только одна из этих изо­мерных форм, а именно 11-цис-ретиналь, структурно соответству­ет центру связывания ретиналя на опсине и образует с ним проч­ный комплекс. Другие изомеры таким соответствием не обладают и комплекс хромофор-белок непрочен.

Единственной фотохимической реакцией, которая приводит к появлению ощущения света, в зрительном рецепторе является фотоизомеризация (см. §24.9) 11-цис-ретиналя в полностью-транс-конформацию. После образования транс-формы простран­ственное соответствие хромофора и опсина нарушается, а это при­водит к целой серии конформационных перестроек в молекуле белка, которые сопровождаются изменениями в спектре поглоще­ния зрительного пигмента. Перестройки родопсина завершаются его распадом на опсин и полностью-яузамс-ретиналь. Далее фер­мент изомераза переводит полностью-транс-ретиналь в 11-цис-ретиналь, после чего происходит его присоединение к опсину и реге­нерация родопсина.

Фотопревращения родопсина приводят к электрическому отве­ту рецепторной клетки. За этим процессом можно проследить пу­тем регистрации электроретинограмм (экстраклеточного отведе­ния потенциалов от сетчатки). Сразу после освещения палочки короткой вспышкой света наблюдается продолжающийся при­мерно 1 мс ранний рецепторный потенциал (РРП), амплитуда ко­торого растет с увеличением интенсивности вспышки, но не превышает 5 мВ (рис. 24.28). Затем через 1 мс развивается поздний рецепторный потенциал (ПРП). Обращают на се­бя внимание несколько особенностей рецепторных потенциалов. Во-первых, в отличие от всех других известных кле­ток на цитоплазматической мембране наружных сегментов палочек потенци­ал имеет знак (+) внутри и знак (-) сна­ружи. Под действием света происходит развитие некоторого подобия потенциала действия нервных клеток, но с противоположным знаком. Во-вторых, индуцированный светом сигнал состоит из двух фаз: РРП и ПРП, природа которых совершенно различна. По-видимо­му, РРП связан с перемещением молекул родопсина во время конформационных перестроек, вызванных освещением. На молекуле этого белка имеются фиксированные заряды, положение которых относительно бислоя липидов после поглощения квантов света меняется, что и является причиной РРП. Следует подчеркнуть, что в возникновении РРП не участвуют никакие процессы изме­нения ионной проницаемости мембран. После РРП начинаются процессы совершенно иной природы, в которых решающую роль играет движение ионов через клеточную мембрану.

Особенностью наружных сегментов палочек сетчатки является то, что в покое (в темноте) их цитоплазматическая мембрана име­ет высокую проницаемость для ионов натрия, тогда как в покое мембраны нервных и мышечных клеток имеют высокую проница­емость для ионов калия. Асимметрия распределения ионов в па­лочке по сравнению с внешней средой такая же, как и для других клеток: внутри мало натрия, но много калия. Ведущую роль в от­крывании натриевых каналов цитоплазматических мембран па­лочек играет циклический гуанозинмонофосфат, на свету его кон­центрация падает. Поэтому после поглощения света родопсином натриевые каналы проницаемости закрываются и главным потен­циал-образующим ионом становится калий. В результате разви­вается поздний рецепторный потенциал со знаком (-) внутри клетки.

При слабом свете максимум чувствительности глаза человека расположен в области около 500 нм, что соответствует максимуму поглощения родопсина, содержащегося в палочках. На ярком свету максимум чувствительности смещается к 550 нм, что соот­ветствует максимуму спектра поглощения пигмента в наиболее распространенном типе колбочек. Пиг­мент колбочек содержит тот же самый 11-транс-ретиналь, как и родопсин, но белковая часть пигмента отличается, поэтому пигменты колбочек носят на­звание иодопсинов.

При измерении спектров поглоще­ния отдельных колбочек оказалось, что каждая колбочка содержит только один вид иодопсина, а типов колбочек всего три. Иодопсины человека имеют максимумы поглощения при 445, 535 и 570 нм. Поглощение света иодопсинами приводит к появлению РРП в кол­бочках. Для того чтобы измерить спектр действия РРП, регистрируют вызы­ваемые короткими вспышками яркого монохроматического света амплитуды РРП (рис. 24.29, а). На основании этих измерений строят спектры действия РРП (рис. 24.29, б), совпадающие по форме со спектрами поглощения зри­тельных пигментов. В сетчатке карпа таким способом обнаружено три типа колбочек с максимумами спектров дей­ствия при 462, 529 и 611 нм.

При некоторых генетических заболеваниях нарушается синтез одного из белков иодопсинов, в результате чего не образуется со­ответствующий пигмент цветного зрения и человек утрачивает способность различать цвета. Эта болезнь называется дальтониз­мом.

Роговица и хрусталик помимо того, что они ответственны за формирование изображения на сетчатке, выполняют также роль граничных светофильтров, пропускающих излучение с длинами волн более 300 и 400 нм, соответственно. В обеих структурах при очень больших дозах УФ-облучения происходят фотохимические повреждения, выражающиеся в помутнении и воспалительных реакциях. Главная причина помутнения хрусталика (катарак­ты) — его фотоповреждение. В присутствии сенсибилизаторов фо­топовреждения глаз резко усиливаются. Так, при ПУВА-терапии заболеваний кожи (см. § 24.9) часть сенсибилизатора, естествен­но, проникает в структуры глаза. УФ-А-облучение сенсибилизированных животных приводило к морфологически выраженным повреждениям роговицы, вещества внутренней камеры глаза, ирисовой диафрагмы и хрусталика. В основе фотосенсибилизированного псораленами повреждения хрусталика глаза лежат окис­лительные реакции с белками хрусталика человека — кристаллинами. Максимум спектра действия сенсибилизированного псора­ленами фотоповреждения глаз расположен при 320—340 нм, хвост спектра доходит до 380 нм. Больные, получающие ПУВА-терапию, во время УФ-А-облучения обязательно надевают светоза­щитные очки, чтобы избежать повреждения глаз. Им также в те­чение нескольких часов после приема таблеток псораленов нельзя находиться на прямом солнечном свету, содержащем большое ко­личество УФ-А-излучения. Фотоповреждения хрусталика необра­тимы, так как поврежденные молекулы из него никогда не выво­дятся.

До сетчатки УФ-излучениё не доходит, поэтому псоралены и другие фотосенсибилизаторы, поглощающие при l < 400 нм, не эффективны. Однако в клетках сетчатки осуществляются фото­повреждения под действием света, поглощенного хромофорной группой зрительных пигментов ретиналем. Ретиналь, входящий в состав зрительных пигментов, расходует энергию электронного возбуждения в процессах цис-транс-изомеризации. В других фо­тохимических реакциях связанный с опсином 11-цис-ретиналь, по-видимому, практически не участвует. Но свободный полностью-транс-ретиналь является на свету эффективным генерато­ром синглетного кислорода, т. е. способен фотосенсибилизировать реакции типа II (см. § 24.9). Квантовый выход триплетных воз­бужденных состояний свободного полностью-транс-ретиналя вы­сок; он составляет 0,4—0,7. Максимумы спектров поглощения различных изомеров свободного ретиналя располагаются при 360—380 нм, длинноволновый хвост захватывает фиолетовую об­ласть видимого света. Поэтому фиолетовый свет вызывает генера­цию триплетных возбужденных состояний ретиналя, что в свою очередь приводит к значительному окислительному повреждению мембран дисков рецепторных клеток. Субстратом окисления яв­ляются главным образом остатки полиненасыщенной докозагексеновой жирной кислоты, содержание которой в фосфолипидах мембран рецепторных дисков очень велико. Для защиты мембран дисков от фотосенсибилизированного окисления в них содержит­ся витамин Е (a-токоферол) в высоких концентрациях. Защитный эффект этого витамина обусловлен тем, что он, с одной стороны, способен переводить синглетный кислород в основное состояние, с другой стороны, он является эффективным ингибитором свобод­но-радикальных реакций цепного окисления ненасыщенных липидов. Фотоповреждение мембран, сенсибилизированное ретиналем, — очень важный негативный эффект, лежащий в основе по­вреждения сетчатки глаз под действием видимого света. Для защиты глаз можно рекомендовать два способа: применять антиоксиданты, а также пользоваться светозащитными очками, не пропускающими фиолетовый и синий свет. Ношение синих очков (пропускающих синий свет) очень вредно для глаз, так как эти оч­ки, ослабляя интегральный световой поток, стимулируют расши­рение зрачков. На сетчатку в результате попадает большее коли­чество фиолетового света, и фотосенсибилизируемое свободным ретиналем повреждение усиливается.

Глава 25

Магнитный резонанс

В этой главе, как и в предыдущей, рассматриваются явления, связанные с излучением и поглощением энергии атомами и молекулами.

Магнитный резонанс — избирательное поглощение электро­магнитных волн веществом, помещенным в магнитное поле.

§ 25.1. Расщепление энергетических уровней атомов в магнитном поле

В § 13.1, 13.2 было показано, что на контур с током, помещен­ный в магнитное поле, действует момент силы. При устойчивом равновесии контура его магнитный момент совпадает с направле­нием вектора магнитной индукции. Такое положение занимает контур с током, предоставленный самому себе. Существенно ина­че ориентируются в магнитном поле магнитные моменты частиц. Рассмотрим этот вопрос с позиции квантовой механики.

В § 23.6 отмечалось, что проекция момента импульса электро­на на некоторое направление принимает дискретные значения. Чтобы обнаружить эти проекции, необходимо каким-то образом выделить направление Z. Один из наиболее распространенных способов — задание магнитного поля, в этом случае определяют проекцию орбитального момента импульса [см. (23.26)], проек­цию спина (23.27), проекцию полного момента импульса электро­на [см. (23.30)] и проекцию момента импульса атома L_Az [см. (23.37)] на направление вектора магнитной индукции В.

Связь между моментом импульса и магнитным моментом (13.30) и (13.31) позволяет использовать перечисленные формулы для нахождения дискретных проекций соответствующего магнит­ного момента на направление вектора В. Таким образом, в отли­чие от классических представлений, магнитные моменты частиц ориентируются относительно магнитного поля под некоторыми определенными углами.

Для атома, например, из (23.37) получаем следующие значе­ния проекций магнитного момента р_тг на направление вектора магнитной индукции:

где магнетон Бора (см. § 13.1), т — масса электрона, mj — магнитное квантовое число, g — множитель Ланде (g-фактор) (см. § 13.4), для заданного уровня энергии ато­ма он зависит от квантовых чисел L, J, S. Знак «-» в (25.1) обус­ловлен отрицательным зарядом электрона.

Энергия атома в магнитном поле с учетом того, что в отсутст­вие поля энергия атома равна Е_о, определяется формулой

Так как магнитное квантовое число mj [см. (23.37)] может прини­мать 2J + 1 значений от +J до —J, то из (25.2) следует, что каждый энергетический уровень при помещении атома в магнитное поле рас­щепляется на 2J +1 подуровней. Это схематически показано на рис. 25.1 для J = 1/2. Разность энергий между соседними

подуровнями равна

Расщепление энергетических уров­ней приводит и к расщеплению спект­ральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

Запишем выражение (25.2) для двух подуровней E₁ и Е₂, образованных при наложении магнитного поля:

где Е₀₁ и Е₀₂ — энергетические уровни атома в отсутствие магнитного поля. Ис­пользуя (23.31) и (25.4), получаем выра­жение для излучаемых атомом частот:

где

— — частота спектральной линии в отсутствие магнитного поля;

— расщепление спектральной линии в магнитном поле. Из (25.7) видно, что Av зависит от магнитного квантового числа, множите­ля Ланде и магнитной индукции поля. Если g₁ = g₂ = g, то

Согласно правилам отбора для магнитного квантового числа, имеем

Это соответствует трем возможным частотам: n₀ + gm_BB/h, n₀, n₀ - gm_BB/h, т. е. в магнитном поле спектральная линия расщеп­ляется и превращается в триплет (рис. 25.2). Такое расщепление называется нормальным или простым эффектом Зеемана. Он наблюдается в сильных магнитных полях или при g₁ = g₂.

В слабых магнитных полях при g₁ ¹ g₂ существует аномаль­ный эффект Зеемана, и расщепление спектральных линий зна­чительно более сложное.

§ 25.2. Электронный парамагнитный резонанс и его медико-биологические применения

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Од­нако такие переходы осуществляются индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщеплен­ными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

В зависимости от типа частиц — носителей магнитного момен­та — различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЭПР происходит в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие маг­нитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней (отсюда название резонанса — «электронный»). Наибо­лее распространен ЭПР на частицах с чисто спиновым магнитным моментом (в зарубежной литературе такую разновидность ЭПР иногда называют электронным спиновым резонансом).

ЭПР был открыт Е. П. Завойским в 1944 г. В первых опытах на­блюдалось резонансное поглощение в солях ионов группы железа. Завойскому удалось изучить ряд закономерностей этого явления.

Из выражений (23.31) и (25.3) получаем следующее условие резонансного поглощения энергии:

Магнитный резонанс наблюдается, ес­ли на частицу одновременно действу­ют постоянное поле индукции В_рез и электромагнитное поле с частотой v. Из условия (25.9) понятно, что обна­ружить резонансное поглощение мож­но двумя путями: либо при неизмен­ной частоте плавно изменять магнит­ную индукцию, либо при неизменной магнитной индукции плавно изме­нять частоту. Технически более удоб­ным оказывается первый вариант.

На рис. 25.3 показаны расщепле­ние энергетического уровня электро­на (а) и изменение мощности Р элек­тромагнитной волны, прошедшей об­разец, в зависимости от индукции магнитного поля (б). При выполнении условия (25.9) возникает ЭПР.

Форма и интенсивность спектральных линий, наблюдаемых в ЭПР, определяются взаимодействием магнитных моментов элек­тронов, в частности спиновых, друг с другом, с решеткой твердо­го тела и т. п. Выясним, как эти факторы влияют на характер спектров.

Предположим, что условие (25.9) выполняется. Для поглоще­ния энергии необходимо, чтобы у атомов вещества была большая населенность нижних подуровней, чем верхних. В противном слу­чае, будет преобладать индуцированное излучение энергии.

При электронном парамагнитном резонансе наряду с поглоще­нием энергии и увеличением населенности верхних подуровней происходит и обратный процесс — безызлучательные переходы на нижние подуровни, энергия частицы передается решетке.

Процесс передачи энергии частиц решетке называют спин-ре­шеточной релаксацией, он характеризуется временем т. По соот­ношению Гейзенберга (23.11) это приводит к уширению уровня.

Таким образом, резонансное поглощение вызывается не точно при одном значении В, а в некотором интервале DВ (рис. 25.4). Вместо бесконечно узкой линии поглощения будет линия конеч­ной ширины: чем меньше время спин-решеточной релаксации, тем больше ширина линии (t₁ < t₂, соответственно кривые 1 и 2 на рис. 25.4).

Уширение линий ЭПР зависит также от взаимодействия спи­нов электронов (спин-спиновое взаимодействие) и от других взаи­модействий парамагнитных частиц. Разные типы взаимодейст­вия влияют не только на ширину линии поглощения, но и на ее форму.

Поглощенная при ЭПР энергия, т. е. интегральная (суммар­ная) интенсивность линии, при определенных условиях пропор­циональна числу парамагнитных частиц. Отсюда следует, что по измеренной интегральной интенсивности можно судить о кон­центрации этих частиц.

Важными параметрами, характеризующими синглетную (оди­ночную) линию поглощения, являются n_peз, В_рез, g (положение точки резонанса), соответствующие условию (25.9). При постоян­ной частоте v значение В_рез зависит от g-фактора. В простейшем случае g-фактор позволяет определить характер магнетизма сис­темы (спиновый или орбитальный). Если же электрон связан с атомом, входящим в состав твердой кристаллической решетки или какой-либо молекулярной системы, то на него будут влиять сильные внутренние поля. Измеряя g-фактор, можно получить информацию о полях и внутримолекулярных связях.

Однако если бы при исследовании получалась только синглетная линия поглощения, то многие приложения магнитных резо­нансных методов были бы невозможны. Большинство приложе­ний, в том числе и медико-биологических, базируется на анализе группы линий. Наличие в спектре ЭПР группы близких линий ус­ловно называют расщеплением. Имеется два характерных типа расщепления для спектра ЭПР.

Первое — электронное расщепление — возникает в тех случа­ях, когда молекула или атом обладают не одним, а несколькими электронами, вызывающими ЭПР. Второе — сверхтонкое рас­щепление — наблюдается при взаимодействии электронов с маг­нитным моментом ядра.

Современная методика измерения ЭПР основывается на опре­делении изменения какого-либо параметра системы, происходя­щего при поглощении электромагнитной энергии.

Прибор, используемый для этой цели называют ЭПР-спектро­метром. Он состоит из следующих основных частей (рис. 25.5): 1 — электромагнит, создающий сильное однородное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться; 2 — генера­тор СВЧ-излучения электромагнитного поля; 3 — специальная

«поглощающая ячейка», которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на образце и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор); 4 — электронная схема, обеспечивающая наблюдение или запись спектров ЭПР; 5 — обра­зец; 6 — осциллограф.

В современных ЭПР-спектрометрах используют частоту около 10 ГГц (длина волны 0,03 м). Это означает в соответствии с (25.9), что максимум ЭПР поглощения для g = 2 наблюдается при В = 0,ЗТл.

Практически на ЭПР-спектрометрах регистрируют не кривую поглощения энергии (рис. 25.6, а), а ее производную (рис. 25.6, б). Одно из медико-биологических применений метода ЭПР за­ключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов. Так, например, спектры ЭПР облученных белков позволили объ­яснить механизм образования свободных радикалов и в связи с этим проследить изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения.

ЭПР широко используют для изучения фотохимических про­цессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную ак­тивность некоторых веществ.

С санитарно-гигиенической целью метод ЭПР используют для определения концентрации радикалов в воздушной среде.

Сравнительно недавно специально для изучения биологических молекул был предложен метод спин-меток, сущность которого со­стоит в том, что с молекулой исследуемого объекта связывается парамагнитное соединение с хорошо известной структурой. По спектрам ЭПР находят положение такой спин-метки в молекуле. Вводя метки в различные части молекул, можно установить распо­ложение различных групп атомов, их взаимодействия, изучать природу и ориентацию химических связей и обнаруживать моле­кулярное движение. Присоединение к молекуле не одной, а не­скольких спин-меток, например двух, позволяет получить сведе­ния о расстояниях меченых групп и их взаимной ориентации.

Используются также и спиновые зонды — парамагнитные час­тицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР-спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии ок­ружающих его молекул. На рис. 25.7 показаны ЭПР-спектры нитроксильного радикала, который в качестве спинового зонда помещен в глицерин. С увеличением температуры уменьшается вязкость глицерина, и это изменяет вид спектра ЭПР. Таким об­разом, по форме спектра ЭПР можно определить микровязкость — вязкость ближайшего окружения спинового зонда. Так, в част­ности, удается определить микровязкость липидного слоя мемб­ран (см. § 11.2).

В целом исследования биологических объектов методом ЭПР имеют широкую область применений.

§ 25.3. Ядерный магнитный резонанс. ЯМР-интроскопия (магнито-резонансная томография)

Ядерный магнитный резонанс не относится к разделу физики атомов и молекул, однако рассматривается в одной главе с ЭПР как явление магнитного резонанса.

Магнитный момент ядер суммируется из магнитных моментов нуклонов. Обычно этот момент выражают в ядерных магнетонах (m_я); m_я = 5,05 • 10^-27А • м². Магнитный момент протона прибли­женно равен р_mp = 2,79m_я, а нейтрона р_тп = -1,91m_я. Знак «-» оз­начает, что магнитный момент нейтрона ориентирован противо­положно спину.

Приведем магнитные моменты р_тя некоторых ядер, выражен­ные в ядерных магнетонах.

Таблица 32

Магнитный момент ядра, помещенного в магнитное поле, мо­жет принимать лишь дискретную ориентацию. Это означает, что энергии ядра будут соответствовать подуровни, расстояние между которыми зависит от индукции магнитного поля.

Если в этих условиях на ядро воздействовать электромагнит­ным полем, то можно вызвать переходы между подуровнями. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля, необходимо выполнение условия, ана­логичного (25.9):

где g_я — ядерный множитель Ланде.

Избирательное поглощение электромагнитных волн опре­деленной частоты веществом в постоянном магнитном по­ле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом.

ЯМР можно наблюдать при выполнении условия (25.10) лишь для свободных атомных ядер. Экспериментальные значения резо­нансных частот ядер, находящихся в атомах и молекулах, не со­ответствуют (25.10). При этом происходит «химический сдвиг», который возникает в результате влияния локального (местного) магнитного поля, создаваемого внутри атома электронными тока­ми i индуцированными внешним магнитным полем. В результате такого «диамагнитного эффекта» возникает дополнительное маг­нитное поле, индукция которого пропорциональна индукции внешнего магнитного поля, но противоположна ему по направле­нию. Поэтому полное эффективное магнитное поле, действующее на ядро, характеризуется индукцией

где s — постоянная экранирования, по порядку величины равная 10^-6 и зависящая от электронного окружения ядер.

Отсюда следует, что для данного типа ядер, находящихся в различных окружениях (разные молекулы или разные, не экви­валентные места одной и той же молекулы), резонанс наблюдает­ся при различных частотах. Это и определяет химический сдвиг. Он зависит от природы химической связи, электронного строения молекул, концентрации данного вещества, типа растворителя, температуры и т. д.

Если два или несколько ядер в молекуле экранированы по-раз­ному, т. е. ядра в молекуле занимают химически не эквивалентные положения, то они имеют различный химический сдвиг. Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько резонансных ли­ний, сколько химически не эквивалентных групп ядер данного типа в ней имеется. Интенсивность каждой линии пропорци­ональна числу ядер в данной группе.

В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту об­ласть применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюда­ют узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения.

На рис. 25.8 изображены кривые ядер­ного магнитного резонанса для твердых тел (а) и жидкостей (б). Острота пика в жидкостях обусловлена следующим. Каж­дое ядро взаимодействует со своими сосе­дями. Так как ориентация ядерных маг­нитных моментов, окружающих ядро дан­ного типа, изменяется от точки к точке в веществе, то полное магнитное поле, действующее на различные однотипные ядра, также изменяется. Это означает, что для всей совокупности ядер область резонанса долж­на представлять собой широкую линию. Однако из-за быстрых пе­ремещений молекул в жидкости локальные магнитные поля не­долговечны. Это приводит к тому, что ядра жидкости находятся под воздействием одного и того же среднего поля, поэтому линия резонанса является резкой.

Для химических соединений, в которых наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные места в молекуле, наблюдается одиночная линия. Соединения более сложного стро­ения дают спектры из многих линий.

По химическому сдвигу, числу и положению спектральных линий можно установить структуру молекул.

Химики и биохимики широко используют метод ЯМР для ис­следования структуры от простейших молекул неорганических веществ до сложнейших молекул живых объектов, а также при решении многих задач, связанных с протеканием химических ре­акций, изучением структур исходных веществ и получающихся в результате реакций продуктов. Одним из преимуществ этого ана­лиза является то, что он не разрушает объектов исследования, как это происходит, например, при химическом анализе.

Очень интересные возможности для медицины может дать опре­деление параметров спектра ЯМР во многих точках образца. Посте­пенно, послойно проходя весь образец (сканируя), можно получить полное представление о пространственном распределении молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при магнит­ном резонансе от протонов или ядер фосфора соответственно).