Материал: Компендиум

увеличиваться в объёме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента, – ферромагнетик намагничивается. При достаточно сильном поле все домены целиком поворачиваются в направлении поля, и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения. Вектора намагниченности различных доменов могут быть ориентированы хаотически − в этом случае намагниченность всего образца равна нулю. Однако если такой образец поместить в магнитное поле, то домены, намагниченность которых направлена параллельно полю, начнут расти за счет других доменов. Увеличивая магнитное поле, можно добиться того, что во всем веществе останется только один домен с намагниченностью, направленной вдоль поля. Все остальные домены будут им поглощены. Получится образец, в котором магнитные спиновые моменты всех атомов направлены в одну сторону (магнитное насыщение). В этом случае магнитное поле может возрасти в 1000 и более раз (µ≥1000). Если после того, как ферромагнетик намагничен (даже не до насыщения), внешнее магнитное поле устранить, начнется распад крупных доменов на более мелкие. Однако полного хаоса при этом не возникнет и достигнутая намагниченность частично сохранится. Это используют при изготовлении постоянных магнитов. Отметим еще одно свойство ферромагнетиков. Для каждого ферромагнитного вещества существует температура (точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства полностью исчезают и вещество становится парамагнетиком. В медицине ферромагнетики находят разнообразное применение: исправление грудной клетки у детей, магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного наружного свища ободочной кишки, для удаления железных частичек из глаз и др.

5. Магнитные свойства биологических тканей. Воздействие магнитного поля на биологические объекты

Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет.

221

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Так, например, имеются сведения:

–о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле;

–об угнетении роста бактерий в магнитном поле;

–о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле;

–об ориентации растений в магнитном поле;

–о влиянии магнитного поля на нервную систему и изменении характеристик крови;

–об эффективности процессов регенерации при действии низкочастотного магнитного поля.

Первичными физическими или физико-химическими процессами при действии магнитного поля на биологические системы могут быть: ориентация молекул, изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле, силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы, перемещающиеся вместе с биологической жидкостью и др.

Магнитотерапия − метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм низкочастотного переменного или постоянного магнитного поля.

Магнитные поля по направлению силовых линий могут быть постоянными и переменными и генерироваться в непрерывном или прерывистом (импульсном) режимах с разной частотой, формой и длительностью импульсов. Магнитное поле, возникающее между северным и южным полюсами магнита, может быть однородным и неоднородным.

6. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Молекула или ее часть, имеющая неспаренный электрон, называется свободным радикалом.

С токи зрения химии, наличие в молекуле неспаренного электрона есть ничто иное, как наличие у нее свободной валентности. Поэтому свободные радикалы очень активны в химическом отношении. Они легко вступают в химические связи с другими молекулами и химическими соединениями, чем

222

оказывают большое влияние на протекание многих процессов в биологических системах.

Наиболее важную роль в биологических системах играют следующие виды радикалов:

1)свободные радикалы воды (гидроксильный, перекисный, супероксид);

2)свободные радикалы органических молекул, образующиеся при действии ионизирующей и ультрафиолетовой радиации;

3)свободные радикалы хинонов;

4)свободные радикалы липидов.

Основное физическое отличие свободных радикалов от других молекул состоит в том, что свободные радикалы парамагнитны, т.е. обладают собственным магнитным моментом, тогда как стабильные молекулы его не имеют, т.е. они диамагнитны. Именно это различие в магнитных свойствах и позволяет обнаруживать свободные радикалы среди других молекул.

Основным физическим методом изучения свободных радикалов в биологических системах является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Метод ЭПР получил большое распространение в биологии и медицине именно благодаря его способности определять наличие и вид свободных радикалов в биологических системах, исследовать кинетику биохимических реакций с их участием. При этом важно, что метод неинвазивный, безвредный, и позволяет исследовать процессы, протекающие в живых организмах не внося никаких изменений в их жизнедеятельность.

Явление ЭПР, открытое в 1944 г. советским физиком Завойским Е.К., обусловлено тем, что молекулы парамагнитных веществ обладают собственным магнитным моментом, и благодаря этому, могут взаимодействовать с внешним магнитным полем. Такие взаимодействия ведут к изменениям в структуре энергетических уровней молекулы, что можно зарегистрировать специальной аппаратурой. Парамагнитные свойства свободных радикалов, а также других парамагнитных молекул обусловлены наличием у них неспаренных электронов.

Известно, что электрон обладает собственным механическим

223

моментом j (спином), а поскольку электрон электрически

заряжен, это приводит к наличию у него и соответствующего магнитного момента:

s e j , me

где e и me − соответственно, заряд и масса электрона.

Но этот неспаренный электрон одновременно движется и по своей орбите в атоме или молекуле и, как любой круговой ток, он создает еще один орбитальный магнитный момент. В результате полный магнитный момент электрона в атоме или молекуле равен

e g 2me e j .

Множитель g , называемый фактором Ланде, зависит от вида

свободного радикала и для большинства изученных радикалов принимает значения от 2,0000 до 2,0060.

Если бы в молекуле все электроны были спарены, то их магнитные моменты были попарно противоположны и скомпенсировали бы друг друга. Но если атом или молекула имеют неспаренный электрон, подобно свободным радикалам, то его магнитный момент скомпенсирован не будет, и молекула в целом будет иметь соответствующий магнитный момент, то есть, обладать парамагнитными свойствами.

В отсутствие внешнего магнитного поля этот факт никак не проявляется, поскольку энергия электрона в атоме или молекуле в отсутствие поля имеет вполне определенную величину E0 ,

которая не зависит от величины и ориентации его магнитного момента в пространстве, или, другими словами, валентный электрон имеет вполне определенный уровень энергии E0 в

молекуле.

Если же поместить такую молекулу во внешнее магнитное поле индукцией B , то ее магнитный момент начнет взаимодействовать с этим внешним полем, стремясь сориентироваться относительно него определенным образом. При этом, согласно квантовой механике, магнитный момент электрона может занять лишь два возможных положения: либо по направлению поля, либо противоположно ему.

224

Если говорить более точно, то квантово-механическое рассмотрение требует, чтобы проекция механического момент электрона на направление внешнего магнитного поля принимала лишь определенные значения:

jB 2h ms

где ms 12 − магнитное спиновое квантовое число электрона.

Энергия взаимодействия магнитного момента электрона с внешним магнитным полем равна:

Eвз. ( s )в B g 2me e jB B 12 g Б B .

Постоянная величина Б eh 9, 274 10 24 A м2 называется

4 me

магнетоном Бора.

Теперь полная энергия электрона в молекуле в магнитном поле равна:

E E0 Eвз E0 g Б B .

Знак «+» в этом уравнении соответствует ориентации магнитного момента электрона против направления поля, а знак «-» − вдоль поля. Таким образом, внесение молекулы во внешнее магнитное поле индукцией В приводит к расщеплению прежнего энергетического уровня E0 на два новых уровня энергии:

E1 E0 12 g Б В( ) , E1 E0 12 g Б В( ) .

Величина этого расщепления прямо пропорциональна величине внешнего магнитного поля:

E E2 E1 g Б B .

Таким образом, основной энергетический уровень парамагнитных ионов и молекул во внешнем магнитном поле расщепляется на два энергетических состояния E1 и E2 ,

различающихся противоположным направлением спина валентного электрона (рисунок 91).

225