Ressonância Magnética

Apresentação em tema: "Ressonância Magnética"— Transcrição da apresentação:

1 Ressonância Magnética
Nuclear (RMN) e Eletrônica (RPE) Claudio José Magon Lav Fis : setembro/2010

2 EPR : Electron Paramagnetic Resonance is the little big sister of
The world of NMR diamagnetic substances The world of EPR paramagnetic substances EPR : Electron Paramagnetic Resonance is the little big sister of NMR : Nuclear Magnetic Resonance

3 Através do fenômeno chamado “paramagnetismo eletrônico”
os elétrons desemparelhados podem dar origem ao efeito RPE

4 Além do elétron, alguns núcleos também podem ter Spin Nuclear
Isto dá origem ao fenômeno da RMN Núcleo Abundância Natural % prótons neutrons Spin  (22 T) MHz 1H 1 950 2H < 0.02 146 12C > 98 6 13C 1.07 7 239 14N 99.636 69 15N 0.364 8 96 31P 100 15 16 385

5 Uma visão quântica simples – spin S = 1/2

6 O spin em um campo magnético: visão clássica
= Momento Angular g = 2 B = erg Gauss-1 h = erg seg  o = 8.4 GHz Bo = 3000 Gauss

7 Experimental: uma analogia interessante
Condutividade ac Ressonância Magnética

8  = Susceptibilidade Magnética = ’ - i ”
 = Fator de Preenchimento da bobina L0 = Indutância da bobina vazia Potência dissipada no resistor equivalente: No futuro veremos que se H1 é pequeno, basta medir ”, pois: ’ e ” estão relacionados entre si pelas “Relações de Kramers-Kronig”

9 Como medir ZL, ou seja:  ??? Entretanto, a prática diz que esta técnica, apesar de muito sensível, não basta ! principalmente porque:  L0   L, R

10   Uma modificação interessante  L , R : mesma ordem de grandeza
acrescentar um capacitor tal que  Quando isto acontece, o capacitor “mata o indutor” e o circuito fica assim:   L , R : mesma ordem de grandeza

11 Problema E daí, é só isso? Infelizmente não!
A prática diz que o experimento fica interessante quando:  / 2  106 Hz = 1 MHz (RMN)  / 2  109 Hz = 1 GHz (RPE) Problema Em altas frequências os “fios” do circuito não se comportam mais como fios. Fios se comportam como “linhas de transmissão”. Isto acontece porque o comprimento de onda associado a : se torna comparável ao comprimento dos fios, por exemplo:

12 Os fios se tornam cabos coaxiais com impedância característica Zo
Para que não haja reflexões nas extremidades, é necessário “casar” as impedâncias Uma forma prática de fazer isto é a seguinte:

13 E daí, é só isso? Infelizmente não!
Como se constroi um circuito ressonante para 10 GHz ? Diminuir Lo  Diminuir número de espiras Diminuir C  Afastar as placas E ainda não é suficiente ! ! !

14 “Cavidade de Microondas”
Este é o desenho prático de uma “Cavidade de Microondas” (uma caixinha condutora com um furinho)

15 A cavidade de microondas
Banda Frequência (GHz)  H0 (para g = 2) X 9.5 3.2 cm 3400 Gauss Q 35 8.5 mm 12500 G K 23 1.3 cm 8200 G L 1 - 2 15 cm 540 G S 2 – 4 10 cm 1070 G W 95 0.32 cm 33940 G

16 Da mesma forma, os fios se tornam “guias de onda”
O desenho esquemático de uma ponte de microondas é o seguinte: Os circuladores, acopladores direcionais, etc, fazem a mágica de direcionar a microondas através dos diferentes componentes. As pontes verdadeiras, modernas, utilizam este mesmo princípio, mas são mais completas e mais complexas.

17 O gerador de microondas:
Reflex klystron

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19 Um conceito importante: a teoria da “Resposta Linear”
A magnetização da amostra é a resposta ao campo de excitação Parte imaginária  ”  Absorção (ou componente em quadratura) Parte real  ’  Dispersão (ou componente em fase)

20 Por isso, quando falarmos “Sistema” ou “Amostra” queremos dizer:
+ Cavidade Campo Magnético Estático Condições Básicas para o RPE/RMN: Campo magnético Radiação monocromática Amostra com spins desemparelhados (RPE) Amostra com spin nuclear  0 (RMN) Este é o experimento “que dá certo”. Pois, a amostra somente absorve a radiação na presença de um campo magnético aplicado.

21 Um exemplo conhecido: o oscilador harmônico
Resposta Estacionária TF Transiente

22 Excitação com onda contínua (CW) Excitação com onda pulsada
A teoria nos diz que podemos realizar o experimento de RPE ou RMN de duas maneiras diferentes: Excitação com onda contínua (CW) (a maioria dos espectrômetros de RPE do mundo são deste tipo) (“mosca branca” em RMN: obsoleto para a maioria das aplicações) Excitação com onda pulsada (a maioria dos espectrômetros de RMN do mundo são deste tipo) (recém introduzido em RPE: complementar ao CW)

23 Técnica Pulsada

24 Técnica de Onda Contínua : CW

25 Solução: Os engenheiros dizem que: Variar a frequência da microoonda,
mantendo a mesma sensibilidade, com a cavidade sintonizada e acoplada: NEM PENSAR ! ! ! Solução: Fazer o que? Nesta parte são os engenheiros que dão as ordens. O único jeito é “dar um jeito”. Se é para o bem de todos: manteremos a frequência fixa, mas, VAMOS VARIAR O CAMPO MAGNÉTICO (lentamente)

26 CW utiliza amplificação sensível à fase do sinal:
E daí, é só isso? Infelizmente não! CW utiliza amplificação sensível à fase do sinal: Amplificador Lock-in

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28 Time domain experiments: pulse EPR/NMR spectroscopy
the two main actors: FID and Echo

29 T1 T2* T2 Experimentos mais complexos
Medida dos tempos de relaxação (“tempos de vida”) T T2* T2 Técnica de Inversão recuperação Efeito de impurezas magnéticas

30 RPE – LavFis – Diagrama de blocos

31 RMN – LavFis – Diagrama de blocos