Wykład 9 Magnetyzm atomowy Podsumowanie w.8 Mikroskopia: 1) mikroskopia standardowa - zdolność rozdzielcza, kryterium Abbego 2) mikroskop fluorescencyjny 3) mikroskop konfokalny Techniki subdyfrakcyjne 1) FRET 2) STED Koherenta tomografia optyczna: Spectral Optical Coherence Tomography Optical Fourier Domain Imaging Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 1 Typowe zródła pól magnetycznych 104 T 107 G 1 tesla [1 T] = 10 000 gausów 104 G 1 T Magnes stały 1 G 10-4 T Ziemskie pole magnetyczne Trakcja z odległości 1 km 10-8 T 10-4 G Serce 10-12 T 10-8 G Neuron 10-15 T 10-11G Poziom szumów Sygnał od serca Na powierzchni krakowskiego czujnika człowieka na Trakcja kolejowa Ziemi (w czasie 1 sek) powierzchni w odległości 1 km Na powierzchni małego klatki piersiowej magnesu neodymowego Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 2 przepływ prądu pole magnetyczne ! magnetyzacja bez zewn. pola magnet. http://montessorimuddle.org/wp-content/ uploads/2012/01/NdFeB-Domains-300x245.jpg elementarne magnesy domeny magnetyczne w zewn. polu magnet. http://www.oxspin.org/images/1996.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/thumb/0/06/Moving_magnetic_ domains_by_Zureks.gif od domen do atomów & spin elektronu właściwość kwantowa Jądra atomowe też mogą mieć spin (i magnetyzację) ok. 2000 x słabszą, ale ważna dla zastosowań (obrazowanie rezonansem magnet.) Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 3 oddziaływanie światła (58) z materią () klasycznie = n + i "! "! 57 = (58) 58 N2 E2 kwantowo foton ma spin 5z =1, niesie pęd = ' 5Ś E1 N1 spin fotonu związany z polaryzacją - skrętnością fali świetlej (strumienia fotonów) Sz = +1 Sz = 1 Sz = 0 5Ś http://www.photophysics.com/sites/default/files/images/content/verticalpol2.gif polaryzacja Ą (ew. ) polaryzacja + polaryzacja Zmiana krętu fotonu (absorpcja/emisja) zmienia kręt elektronu w atomie ! Zasada zachowania krętu: reguły wyboru: ! zmiana długości wektor) krętu "J = 0, ą1 ! zmiana składowej wektora krętu "mJ = 0, ą1 Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 4 ! Zasada zachowania krętu: reguły wyboru: ! zmiana długości wektor) krętu "J = 0, ą1 ! zmiana składowej wektora krętu "mJ = 0, ą1 diagram Heisenberga m Przykład: J =0 "! J=1 ! m = 0 0 J =0
+ Ą Ą + +1 +1 J=1 0 0 1 m = 1 "mJ = m m = 1, 0, +1 Magnetyzacja atomowa suma magnetycznych momentów dipolowych 5R 5R
5 = 25Z 5Y + 5` 5Z5R 5R Momenty magnetyczne oddziałują z polem B 555 " " 5J = 555 5Y5V + 25`5V " 55 = 5W5V " 55 ! ! ! rozszczepienie zeemanowskie ! polaryzacja światła Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 5 Pompowanie optyczne 1966 Alfred Kastler 1. rezonans optyczny zachowanie energii ' = 'fi 2. foton niesie kręt zachowanie krętu (Wojciech Rubinowicz, 1932) ą ! ą ' ! absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego B B 2 2 2 + + + P1/2 P1/2 P1/2 detektor detektor detektor + + + 2 2 2 S1/2 S1/2 S1/2 mJ= 1/2 +1/2 mJ= 1/2 +1/2 mJ= 1/2 +1/2 nat. różnica populacji (orientacja krętu J) św.
" selekcja stanów kwantowych (eksp. Sterna-Gerlacha) " metoda spinowej polaryzacji tarcz gazowych ( magnesowanie gazu ), czas Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 6 sygnał z detektora Radiowy rezonans spinowy Przestrzenna orientacja spinu dowolna @ B=0, ale skwantowana, gdy B`"0 Energia spinu w polu magnet. 0 '0 0 B= natężenie pola http://upload.wikimedia.org/ Amplituda wikipedia/commons/3/38/NMR_EPR.gif magnetycznego magnety- zacji magnetyczny rezonans spinowy " elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR) " elektronowy rezonans spinowy (ESR) " jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) obrazowanie (MRI) rezonans Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 7 Pompowanie optyczne podwójny rezonans optyczno-radiowy B B 2 2 2 + + + P1/2 P1/2 P1/2 detektor detektor detektor + + + 2 2 2 S1/2 S1/2 S1/2 B1cost mJ= 1/2 +1/2 mJ= 1/2 +1/2 mJ= 1/2 +1/2 m=+1/2 En. ' Podwójny rezonans m=-1/2 (optyczno-radiowy) B Idet " szer. linii rezonansowej b. mała (stan podstawowy) b. precyzyjne pomiary B1=0 B1`"0 BgJB (ograniczenie: zderzenia) " częst. przejść od Hz do GHz wzmacniacz kwantowy : kwanty r.f. (10-12 eV) wyzwalają fotony optyczne (eV) b. duża czułość Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 8 Zastosowania pompowania optycznego " magnetometry pomiar częstości rezonansu między B? + podpoziomami zeemanowskim (częstotliwość Larmora) pomiar B (czulsze niż SQUIDs) = "E/' = ("m gJ B /') B B1cost " zegary atomowe indukowanie rezonansu m =0 F =2 między poziomami str. nsbt. m=0 m =0 (słabo zależą od zewn. czynników 0 dobry wzorzec częstości zegar ) m=0 Idet F=1 " masery 0 B 0 " obrazowanie płuc trudne bo płuca są puste! (trzeba wpuścić do płuc spolaryzowany spinowo 3He*, 129Xe) " przygotowanie czystych stanów kwant. np. do kryptografii kwantowej " etc... " etc... Wojciech Gawlik, Metody optyczne w biologii i medycynie, Biofizyka 2013/14 - wykł.9 9