Радиолокатор! Не совсем. Точнее – совсем нет.

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Внимательный читатель, наверное, уже спрашивает нас, почему мы начали первую статью на этом сайте с предложения заглянуть с помощью радиолокатора внутрь живых клеток, а затем увели его в сторону довольно сложных понятий физики и химии. Но это кажущееся отвлечение послужило нам необходимым подступом к пониманию электронного парамагнитного резонанса. Итак, чем же может помочь биохимии радиолокатор? Как известно, радиолокатор — это устройство, которое посылает в пространство по определенному направлению узкий луч радиоволн. Встречаясь с различными предметами, радиоволны отражаются, как зайчик от зеркала или эхо от стены. Этим и пользуются для дальнего обнаружения различных предметов: самолетов, кораблей, ракет и даже планет.

Тела, состоящие из различных веществ, по-разному отражают радиоволны. Так, например, вода сильно поглощает короткие радиоволны, а металлы — слабо. Поэтому-то на экране штурманского радиолокатора река кажется темной, а металлический мост через реку или корабль на море выглядят более светлыми.

Мы видим, что радиолокатор позволяет производить простейший «анализ» вещества, на которое падают радиоволны. Электронный же парамагнитный резонанс позволяет изучать несравненно более тонкие эффекты взаимодействия радиоволн с веществом. Ведь ЭПР-спектрометр следит за движением не самолета, а одиночных или «неспаренных» электронов.

Мы можем предположить, что вещества, содержащие неспаренные электроны, будут поглощать радиоволны совсем не так, как магнитно нейтральные. Но как это проверить? Ведь благодаря тепловому движению атомов магнитики свободных радикалов оказываются беспорядочно направленными во все стороны. Они полностью компенсируют друг друга, и вещество по своим свойствам делается похоже на магнитно нейтральное.

Физикам пришлось применить хитрость. Что если наши беспорядочно направленные «магнитные стрелки» насильно заставить выстроиться в каком-нибудь определенном направлении и не давать им менять своего положения по отношению друг к другу? Для этого надо поместить исследуемое вещество в достаточно сильное и однородное магнитное поле, и тогда магнитики будут ориентироваться строго по его силовым линиям.

Расчеты и эксперименты показывают, что магнитики расположатся при этом только двумя способами — либо их направление совпадет с направлением магнитных силовых линий, либо будет ему противоположно.

Ориентироваться по полю магнитикам лeгчe и в эту группу войдут те из них, которые обладают меньшей энергией. Наоборот, магнитики, расположенные против магнитного поля, обладают большей энергией. А если магнитное поле начнет возрастать? Совершенно очевидно, что начнет возрастать и разница в энергии между первой и второй группой. При
уменьшении же поля энергетическая разница между этими двумя группами соответственно уменьшится.

Направление магнитиков, а значит, и энергию неспаренных электронов можно менять. Это произойдет, если электрон получит добавочную «порцию» (как говорят физики, квант) энергии. Например, за счет падающих на него радиоволн. При этом он перейдет в более высокое энергетическое состояние, соответствующее магнитику, ориентированному против магнитного поля. Крохотная «магнитная стрелка» как бы перевернется. Если же электрон отдаст часть энергии, это будет означать, что «магнитная стрелка» перевернулась в обратном направлении, став в положение по полю.

Переворачиваются магнитики только при строго определенных условиях: когда порции энергии обрушивающихся на него радиоволн точно равны разнице между уровнем энергии магнитиков, направленных по полю и против него. Выражение «электронный резонанс» и указывает, что поглощение радиоволн веществом может наблюдаться, только когда энергия падающих квантов будет точно совпадать, резонировать, с энергией, необходимой для переворачивания электронных магнитиков.

Меняя величину магнитного поля, в котором находится вещество, мы тем самым, как уже говорилось, меняем разницу в энергии между обеими группами магнитиков. При слишком маленькой его величине вещество не будет поглощать радиоволн. Затем, когда энергии сравняются, будет наблюдаться поглощение, на экране прибора появится сигнал ЭПР. Наконец, при слишком большом значении магнитного поля поглощения радиоволн опять не будет — сигнал исчезнет.

Посмотрим теперь, при каких условиях появляются и как ведут себя неспаренные электроны внутри какой-либо живой ткани. Это поможет нам, хотя бы частично, ответить на те вопросы, которые были поставлены в начале. При этом мы должны помнить, что в биологических процессах большую роль играют ионные химические реакции. Однако мы будем наблюдать только за реакциями, связанными с появлением и исчезновением неспаренных электронов. Продолжение в следующей статье..

Автор: А Калмасон.