Untersuchung von Bewegungsprozessen mit NMR

FP-Versuch am Lehrstuhl EIII
Untersuchung von Bewegungsprozessen mit NMR
Kernspinresonanz (NMR)
In der Kernspinresonanz (abgek.: NMR = Nuclear Magnetic Resonance) bestimmt
man die Energiedifferenz zwischen unterschiedlichen Kernspinzuständen indem man
die resonante Absorption von Radiofrequenzfeldern misst. Aus geringen Änderungen
der Absorptionsfrequenz (=Larmorfrequenz) kann man unterschiedliche Materialeigenschaften auf atomarer Ebene untersuchen.
Neben der Zeeman Wechselwirkung zwischen
dem Magnetfeld und den Spins spielt die magnetische Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen
den einzelnen Spins eine wichtige Rolle: jeder
Spin erzeugt ein magnetisches Dipolfeld, welches
sich dem äußeren Feld überlagert und dadurch die
Resonanzfrequenz der benachbarten Spins verschiebt. Aufgrund der hohen Zahl solcher Dipolfelder im Festkörper (~1020) werden die Resonanzlinien in Festkörpern stark verbreitert.
Bewegungsprozesse
In Flüssigkeiten sind die Moleküle in ständiger Bewegung. Dadurch wird die Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Spins moduliert und man beobachtet nur noch den Mittelwert, welcher bei isotropen
Flüssigkeiten verschwindet. Die Resonanzlinien werden deshalb schmal, man erhält hoch aufgelöste
Spektren. Auch bei Festkörpern besteht die Möglichkeit, die anisotropen Wechselwirkungen auszumitteln
indem man die Probe schnell (bis zu 50 kHz) um eine
geeignete Achse rotiert.
Andere Arten von Bewegungsprozessen können
auch zu Linienverbreiterungen führen oder dazu, dass
aus mehreren Resonanzlinien durch den Mittelungsprozess eine einzelne Linie wird.
Anstelle einer Bewegung der räumlichen Freiheitsgrade können auch Bewegungsprozesse im Spinraum stattfinden. Diese Bewegungen können durch Radiofrequenzfelder
induziert werden. Man verwendet diese Möglichkeit z.B. um die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Kernen zu eliminieren indem man auf dem nicht beobachteten
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Kern (meistens Protonen) ein starkes Radiofrequenz eingestrahlt wird, welches die
Kopplung zwischen den beiden Spins wiederholt invertiert. Dadurch erhält man z.B. für
13C Kernspins hochaufgelöste Festkörperpspektren.
Mögliche Experimente
Am ersten Tag wird der Aufbau des Spektrometers untersucht und die wichtigsten
Einstellungen überprüft. Für Festkörper und Flüssigkeiten, resp. Unterschiedliche Kerne
sind jeweils unterschiedliche Einstellungen notwendig. Als Testsubstanzen dienen Wasser (Flüssigkeit) und Adamantan (Festkörper). Ein wichtiges Element bei der Bedienung
des Spektrometers ist die Software, welche das Experiment steuert und die Daten darstellt und verarbeitet.
Anhand einer Ethanolprobe können erste Messungen an einer einfachen Flüssigkeit
durchgeführt werden. Die drei unterschiedlichen (welche?) Protonen dieses Moleküls
sollen im Spektrum identifiziert werden. Das OH-Proton kann mit der Umgebung
austauschen. Die Austauschgeschwindigkeit kann durch Zugabe von Säure gesteuert
werden. Der Einfluss der Säurezugabe auf die Dynamik des Protons soll anhand des
NMR Spektrums verfolgt werden.
Als etwas komplexere Probe
kann auch Bier untersucht werden; welche Komponenten können identifiziert werden? Weitere
Bestandteile werden sichtbar
wenn das Wassersignal unterdrückt wird.
Festkörperexperimente werden
zunächst an Adamantan durchgeführt. In diesem Festkörper kann
der Einfluss der molekularen
Bewegungsprozesse beobachtet
werden. Auch die heteronukleare Entkopplung (Mittelung im Spinraum) kann an dieser
Probe untersucht werden.
Weitere Informationen:
Hans Georg Krojanski, Tel. 3560 [email protected]
Prof. Dieter Suter, Tel. 3512, P1-O1-216
Literatur: Vorlesung „Magnetische Resonanz“:
http://e3.physik.uni-dortmund.de/~suter/Vorlesung/Magnetische_Resonanz_02/MR.html