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. ${\displaystyle \alpha _{e}\beta _{N}\leftrightarrow \beta _{e}\alpha _{N}}$ или ${\displaystyle \alpha _{e}\alpha _{N}\leftrightarrow \beta _{e}\beta _{N}}$. 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: ${\displaystyle f=(1+{\frac {g\beta }{g_{N}\beta _{N}}})}$, где g - безразмерная постоянная, так называемый g-фактор, равный для свободного электрона 2,0023, ${\displaystyle \beta }$ - электронный магнетон Бора, ${\displaystyle g_{N},\beta _{N}}$ - 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: ${\displaystyle {\frac {I_{2}}{I_{1}}}=1+{\frac {1}{2}}{\frac {\gamma _{X}}{\gamma _{Y}}}}$, где I₁ и I₂ - интенсивности в спектрах монорезонанса и двойного резонанса, ${\displaystyle \gamma _{X}}$ и ${\displaystyle \gamma _{Y}}$ - 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 г. 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. (недоступная ссылка)

Литература

• Overhauser, Albert W. Polarization of Nuclei in Metals (англ.) // Physical Review : journal. — 1953. — Vol. 92, no. 2. — P. 411—415. — doi:10.1103/PhysRev.92.411.
• Борисенко Виктор Евгеньевич, Данилюк Александр Леонидович, Мигас Дмитрий Борисович. Спинтроника : учебное пособие. — 2-е. — М.: «Лаборатория знаний», 2021. — С. 27—28. — 232 с. — ISBN 978-5-93208-558-5.
• 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.
• NMR studies of structure and function of biological macromolecules, Нобелевская речь К. Вютриха, 8 декабря 2002 г.