Радіолокатор! Не зовсім. Точніше – зовсім ні.
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Уважний читач, напевно, вже питає нас, чому ми почали першу статтю на цьому сайті з пропозиції заглянути за допомогою радіолокатора всередину живих клітин, а потім повели його у бік досить складних понять фізики і хімії. Але це позірне відволікання послужило нам необхідним підступом до розуміння електронного парамагнітного резонансу. Отже, чим же може допомогти біохімії радіолокатор? Як відомо, радіолокатор – це пристрій, який посилає в простір за певним напрямом вузький промінь радіохвиль. Зустрічаючись з різними предметами, радіохвилі відбиваються, як зайчик від дзеркала або відлуння від стіни. Цим і користуються для далекого виявлення різних предметів: літаків, кораблів, ракет і навіть планет.
Тіла, що складаються з різних речовин, по-різному відображають радіохвилі. Так, наприклад, вода сильно поглинає короткі радіохвилі, а метали – слабо. Тому-то на екрані штурманського радіолокатора річка здається темною, а металевий міст через річку або корабель на морі виглядають більш світлими.
Ми бачимо, що радіолокатор дозволяє виробляти найпростіший «аналіз» речовини, на яку падають радіохвилі. Електронний же парамагнітний резонанс дозволяє вивчати незрівнянно більш тонкі ефекти взаємодії радіохвиль з речовиною. Адже ЕПР-спектрометр стежить за рухом не літака, а одиночних або «неспарених» електронів.
Ми можемо припустити, що речовини, що містять неспарені електрони, будуть поглинати радіохвилі зовсім не так, як магнітно нейтральні. Але як це перевірити? Адже завдяки тепловому руху атомів магнітики вільних радикалів виявляються безладно спрямованими на всі боки. Вони повністю компенсують один одного, і речовина за своїми властивостями робиться схожою на магнітно нейтральну.
Фізикам довелося застосувати хитрість. Що якщо наші безладно спрямовані «магнітні стрілки» насильно змусити вишикуватись в якомусь певному напрямку і не давати їм змінювати свого становища по відношенню один до одного? Для цього треба помістити досліджувану речовину в досить сильне і однорідне магнітне поле, і тоді магнітики будуть орієнтуватись строго по його силовим лініям.
Розрахунки й експерименти показують, що магнітики розташуються при цьому тільки двома способами – або їх напрямок співпаде з напрямком магнітних силових ліній, або буде йому протилежним.
Орієнтуватися по полю магнітики лeгчe і в цю групу увійдуть ті з них, які володіють меншою енергією. Навпаки, магнітики, розташовані проти магнітного поля, володіють більшою енергією. А якщо магнітне поле почне зростати? Цілком очевидно, що почне зростати і різниця в енергії між першою і другою групою. При зменшенні ж поля енергетична різниця між цими двома групами відповідно зменшиться.
Напрямок магнітиків, а значить, і енергію неспарених електронів можна міняти. Це станеться, якщо електрон отримає додаткову «порцію» (як кажуть фізики, квант) енергії. Наприклад, за рахунок падаючих на нього радіохвиль. При цьому він перейде в більш високий енергетичний стан, відповідний магнітикам, орієнтований проти магнітного поля. Крихітна «магнітна стрілка» як би перевернеться. Якщо ж електрон віддасть частину енергії, це буде означати, що «магнітна стрілка» перекинулась у зворотному напрямку, ставши в положення по полю.
Перевертаються магнітики тільки при строго певних умовах: коли порції енергії радіохвиль, що обрушуються на нього точно дорівнюють різниці між рівнем енергії магнітиків, спрямованих по полю і проти нього. Вираз «електронний резонанс» вказує, що поглинання радіохвиль речовиною може спостерігатись, тільки коли енергія падаючих квантів буде точно збігатись, резонувати, з енергією, необхідною для перевертання електронних магнітиків.
Міняючи величину магнітного поля, в якому знаходиться речовина, ми тим самим, як вже говорилось, міняємо різницю в енергії між обома групами магнітиків. При дуже маленькій її величині речовина не буде поглинати радіохвиль. Потім, коли енергії зрівняються, буде спостерігатись поглинання, на екрані приладу з’явиться сигнал ЕПР. Нарешті, при дуже великому значенні магнітного поля поглинання радіохвиль знову не буде – сигнал зникне.
Подивимось тепер, за яких умов з’являються і як поводяться неспарені електрони всередині якоїсь живої тканини. Це допоможе нам, хоча б частково, відповісти на ті питання, які були поставлені на початку. При цьому ми повинні пам’ятати, що в біологічних процесах велику роль відіграють іонні хімічні реакції. Однак ми будемо спостерігати тільки за реакціями, пов’язаними з появою і зникненням неспарених електронів. Продовження в наступній статті.
Автор: А Калмасон.