8. apríla 2020
Magnetická rezonancia

Magnetická rezonancia

Po týmto pojmom si typicky predstavíme vyšetrenie, v ktorom je pacient vložený do silného magnetu a vďaka tomu nejako lekári vidia, ako to vyzerá v jeho vnútri. Je to však široký pojem a rôzni vedátori pod ním rozumejú rôzne veci podľa toho, akému odboru sa venujú.

Predtým, ako si vysvetlíme, čo sa deje s pacientom v magnete, odbehneme si k fyzikom a chemikom a povedzme si, čo pod magnetickou rezonanciou rozumejú oni.

Fyzikálny princíp magnetickej rezonancie

Elementárne častice majú okrem elektrického náboja aj magnet, kompas, podľa ktorého vnímajú magnetické pole. Táto vlastnosť častíc sa nazýva spin kvôli starej predstave, v ktorej častice rotovali okolo svojej osi (čo sa po anglicky povie spin), ale táto predstava veľmi nezodpovedá realite. Malý magnet je rovnako približná, ale názornejšia vizualizácia, tak zostaňme pri nej. (Predstavujte si strelku kompasu, nie podkovu.  🙂 ). Takýto magnet, ktorý častica nosí so sebou, má severný a južný pól. [1]

Častice hmoty okolo nás si nesú malé magnety, no či sa aj celá látka správa ako veľký magnet závisí od toho, ako sa im podarí zosynchronizovať.

Typická (ale nie jediná možná) situácia je, že magnety každej dvojice častíc sa navzájom zrušia, čo vedie k tomu, že častica zložená z párneho počtu menších častíc nemá žiadny magnet a častica zložená z nepárneho počtu má taký magnet, ako jedna z menších častíc, ktorá zostala nespárovaná.

Takto fungujú atómové jadrá: protón aj neutrón majú svoje magnety. Jadro zložené z nepárneho počtu protónov alebo neutrónov má magnetický moment, jadro zložené z párneho počtu protónov aj neutrónov má nulový magnetický moment. Typickým prípadom jadra s nenulovým magnetickým momentom je (ľahký [2]) vodík, ktorého jadro tvorí jediný protón.

U atómov a molekúl je to podobne, elektrón má svoj magnet a atómy a molekuly s nespárovanými elektrónmi [3] majú magnetický moment, zatiaľ čo molekuly so spárovanými elektrónmi nemajú.

Rovnako ako strelka kompasu, aj magnet elementárnej častice sa nasmeruje v magnetickom poli. Stav, kedy je magnet nasmerovaný súhlasne s vonkajším magnetickým poľom je energeticky výhodnejší ako opačný. Tento energetický rozdiel závisí od typu častice a tiež od sily magnetického poľa, čím silnejšie pole, tým väčší rozdiel.
Keď teda vložíme časticu do magnetického poľa, otočí sa jej magnet tak, aby mala najmenšiu energiu, súhlasne s magnetickým poľom. Dodaním presne takého množstva energie, ktoré zodpovedá rozdielu medzi natočením v smere a proti smeru magnetického poľa, vieme magnet “prevrátiť”. Pretože sme v kvantovom svete, sú možné iba spomínané dva stavy magnetu a iba dodaním presného množstva energie ho vieme preklopiť. [4]

Takáto energia je však veľmi malá. To znamená, že pretočenie magnetu nie je až tak energeticky výhodné a nie všetky častice po zapnutí poľa natočia svoje magnety správnym smerom (súvisí to s teplotou). Po vložení veľkého množstva častíc do veľmi silného magnetického poľa, bude počet tých, ktorých strelky sú otočené v smere poľa len o málo prevyšovať počet tých opačných. Aby sme mohli magnety častíc otáčať dodávaním energie, potrebujeme mať ich dostatočný počet otočený v smere magnetického poľa, a teda potrebujeme veľmi silné magnetické pole.

A keď vravím veľmi silné, myslím to vážne. Magnetické pole sa meria v jednotkách tesla (T). Na porovnanie, magnetické pole Zeme je asi 0.00005 T, magnetka na chladničke má pole asi 0.005 T, silné elektromagnety používané v priemysle môžu mať až 1 T. Magnety pre magnetickú rezonanciu mávajú od 0.5 do 23 T (pričom slabšie, asi do 10 T, sa používajú v medicíne a silnejšie vo fyzikálnych a chemických laboratóriách) [5]. Na dosahovanie silných magnetických polí pre magnetickú rezonanciu sa používajú supravodivé elektromagnety chladené tekutým héliom.

Energia potrebná na preklopenie magnetu častice sa dodáva elektromagnetickým žiarením. Pretože táto energia je malá, ide o nízkoenergetické žiarenie, teda o žiarenie s dlhou vlnovou dĺžkou, teda rádiofrekvenčné žiarenie. Preklopené magnety potom prijatú energiu opäť vyžiaria vo forme rádiofrekvenčného žiarenia, ktoré sa meria.

Popísaný jav absorpcie elektromagnetického žiarenia časticami v silnom magnetickom poli sa nazýva magnetická rezonancia. Rezonancia preto, lebo k absorpcii dochádza iba pri správnej (rezonančnej) frekvencii žiarenia.

Meranie spomínaného rádiofrekvenčného žiarenia nám vie niečo povedať o vzorke obsahujúcej častice s magnetmi, či už je to chemikália alebo pacient.

Ako vidíte, keď sme včera sľúbili článok z medicínskeho prostredia, mysleli sme tým článok o fyzike. Do chémie a medicíny načrieme zajtra.

[Lukáš]

Poznámky:
[1] Častice, ktoré by mali iba jeden magnetický pól zatiaľ objavené neboli a ani nie je jasné, či vôbec môžu existovať. Keďže má dva póly, fyzici túto vlastnosť odborne nazývajú dipól, resp. magnetický dipólový moment, ešte presnejšie spinový magnetický dipólový moment (pretože častica môže mať magnetický moment aj z dôvodu svojho pohybu). Aj tak budeme stále hovoriť len o magnete.

[2] Okrem ľahkého vodíka existuje ešte ťažký vodík nazývaný aj deutérium, ktorý ma v jadre jeden protón a jeden neutrón a rádioaktívny vodík nazývaný trícium, ktorého jadro sa skladá z troch častíc, jedného protónu a dvoch neutrónov.

[3] U atómov a molekúl je pomerne časté, že párny počet elektrónov neznamená, že sú všetky spárované.
[4] Pretože sme v kvantovom svete, je možná aj kvantová superpozícia stavov “v smere” a “proti smeru”, ktorá sa dá predstaviť ako naklonený magnet otáčajúci sa okolo osi danej vonkajším poľom. Takýto magnet sa dá tiež preklopiť dodaním rovnakého množstva energie. Ak sledujete vedecké novinky, určite uhádnete, aká zaujímavá možnosť sa tu ponúka. 

😉

[5] Keď sme už začali: experiment s levitovaním žaby využíval pole sily 16 T (https://www.youtube.com/watch?v=KlJsVqc0ywM), najsilnejšie trvalo udržateľné magnetické pole vytvorené v laboratóriu malo 45 T, najsilnejšie krátkodobé magnetické pole vytvorené v laboratóriu bez ničivých následkov malo 97 T, najsilnejšie magnetické pole vytvorené v laboratóriu, ktorého vytvorenie zničilo aparatúru, malo 1200 T a bolo dosiahnuté minulý rok na Univerzite v Tokiu (https://www.youtube.com/watch?v=Hsu6FG_3adU), no a najsilnejšie umelo vytvorené magnetické pole, pri ktorého tvorbe vybuchla aparatúra aj s laboratóriom (myslelo sa na to už pri navrhovaní experimentu) malo 2800 T (uskutočnené, ako inak, v Rusku). Magnetické pole neutrónových hviezd dosahuje milióny až stovky miliónov tesla a pole magnetických hviezd, tzv. magnetarov, sa odhaduje až na miliardy tesla.

One thought on “Magnetická rezonancia

Pridaj komentár