MetodyOpt Biofiz 2013 w9 magnetyzm


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

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


Wyszukiwarka