پذیرفتاری مغناطیسی و خاصیت مغناطیسی مواد

پذیرفتاری مغناطیسی magnetic susceptibility

پذیرفتاری مغناطیسی نوعی اندازه‌گیری از میزان مغناطیسی شدن مواد، به هنگام قرار گیریشان در میدان مغناطیسی خارجی هست. هنگامی که مواد در میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرند، یک مغناطش و یا قطبش (J) داخلی در آن‌ها ایجاد می‌گردد که ممکن هست در جهت و یا خلاف جهت میدان خارجی باشد.

اگر مغناطش ایجاد شده خلاف جهت میدان اعمال شده باشد، میدان مؤثر درون جسم کاهش می‌یابد و خطوط میدان پراکنده می‌شوند. این اثر به عنوان دیامغناطیس شناخته می‌شود. و اگر مغناطش ایجاد شده در جهت میدان اعمال شده‌ی خارجی باشد، میدان موثر درون جسم افزایش می‌یابد و خطوط میدان متمرکزتر می‌شوند و موجب ایجاد اثرات پارامغناطیس، سوپرپارامغناطیس و فرومغناطیس (با توجه به میزان پذیرفتاری مغناطیسی) می‌شود.

پذیرفتاری مغناطیسی توسط حرف یونانی chi (χ) نشان داده می‌شود. و با تقسیم قطبش داخلی بر میزان قدرت میدن مغناطیسی اعمال شده تعریف می‌گردد.

χ = J / Bo

پذیرفتاری susceptibility یک کمیت بدون واحد می‌باشد چرا که از نسبت دو میدان مغناطیسی به دست می‌آید. مواد دیامغناطیس پذیرفتاری منفی (χ < 0) دارند، و مواد پارامغناطیس و سوپرپارامغناطیس و فرومغناطیس پذیرفتاری مثبت (χ > 0) دارند.

تقریبا تمام بافت‌های بیولوژیکی دیامغناطیس ضعیف هستند، با این حال برخی بافت‌ها که شامل تجمع موضعی فلزاتی چون آهن، گادولونیوم، مس و یا منگنز هستند،میدان مغناطیسی را متمرکزتر می‌کنند و بنابراین پارامغناطیس هستند. پروتئین‌های بر پایه آهن (مثل هموسیدرین و فریتین) سوپرپارامغناطیس هستند. به غیر از مقدار اندک مگنتیت Fe3O4، که پذیرفتاری قابل توجهی را ایجاد نمی‌کند، ماده‌ی فرومغناطیس دیگری در بدن وجود ندارد. در حالی که بسیاری از اجسام فلزی خارجی و ایمپلنت‌های جراحی فرومغناطیس ferromagnetic هستند و اغلب در تصویربرداری‌های MRI دردسر ساز هستند.

خاصیت مغناطیسی مواد

مواد از نظر خاصیت مغناطیس شدن به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

1) دیامغناطیس Diamagnetism
2) پارامغناطیس paramagnetism
3) سوپر پارامغناطیس Superparamagnetism
4) فرومغناطیس Ferromagnetism

در جدول زیر خلاصه‌ای از انواع پذیرفتاری مغناطیسی مواد آورده شده است و در ادامه به مفصل توضیح داده است.

1) مواد دیامغناطیس Diamagnetism

در ساختار اتمی این مواد، تمام اوربیتال ها پر بوده و الکترون‌ها جفت شده‌اند. این مواد به هنگام قرارگیری در میدان مغناطیسی B0، میدان مغناطیسی ضعیفی در خلاف جهت B0 ایجاد و القاء می‌کنند، که موجب دفع این مواد توسط میدان اصلی شده و بر میدان مغناطیسی اصلی تاثیر منفی میگذارد. از مواد دیامغناطیس میتوان به گازهای بی اثر، نیتروژن،باریم سولفات، کلرید سدیم و سولفور اشاره کرد. نمونه‌ای از اثر دیامغناطیس که موجب به هم ریختگی تصویر می‌شود در مرز بین هوا و بافت (مثلا سینوس‌های پارانازال) دیده می‌شود. که به علت خاصیت پذیرفتاری مغناطیسی متفاوت بافت‌های مجاور می‌باشد.
همه‌ی مواد خاصیت دیامغناطیسی دارند، اما وجود این خاصیت در موادی که اتم‌های آن‌ها خاصیت دوقطبی مغناطیسی دارند ( پارامغناطیس و فرومغناطیس)، احساس نمی‌شود.

وقتی ماده‌ای دیامغناطیس درون میدان قرار گیرد میدان مغناطیسی، درون آن ماده کمی پایین‌تر از محیط اطراف می‌شود ولی زیاد فرقی نمی‌کند.  این ترکیبات به حفظ همگنی میدان کمک می‌کنند و *T2 بلندتری نیز دارند (دیر ناهمفاز می‌شوند).

بیشتر بافت‌های بدن خاصیت دیامغناطیسی دارند، مثل آب، اگرچه پروتون های سازنده آب رفتار پارامغناطیسی از خود نشان می‌دهند، اما مجموعه مولکول آب به صورت دیامغناطیس عمل می‌کند و مغناطیس القائی آن در خلاف جهت میدان اصلی است.

بافت نرمال مغز و هموکسی گلوبین (هموگلوبین اکسیژن‌دار) یک ترکیب دیامغناطیسی(Diamagnetic) است. دئوکسی همگلوبین Deoxyhemoglobin یک ترکیب پارامغناطیسی است.

پذیرفتاری مغناطیسی و خاصیت مغناطیسی مواد

2) مواد فرومغناطیس ferromagnetism

مواد فرومغناطیس پذیرفتاری مغناطیسی مثبت و بزرگی دارند. پارامغناطیس و دیامغناطیس مشخصه‌ای از اتم‌ها و یا مولکول‌های منفرد هستند و این در حالی هست که خاصیت فرومغناطیسی از مجموعه‌ای از اتم‌ها و یا مولکول‌ها (حوزه‌های مغناطیسی) در یک کریستال جامد و یا در یک شبکه پدید می‌آید. اتم‌ها و یا مولکول‌های مواد فرومغناطیس به دلیل تراز های خاص هسته‌ای، به هنگام قرارگیری در میدان مغناطیسی درجات بالایی از همسوئی مغناطیسی را نشان می‌دهند که جفت شدگی تبادلی (exchange interaction, or exchange coupling) نامیده می‌شود. در این اثر گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها در حوزه‌های مغناطیسی به صورت موازی باهم جفت می‌شوند. لازم به ذکر است که اگر دمای این مواد از یک مقدار معین که به اصطلاح “دمای کوری” نامیده می‌شود، تجاوز کند، جفت شدگی از بین می‌رود و این مواد پارامغناطیس می‌شوند.
حوزه‌های مغناطیسی کوچک هستند و به صورت تصادفی جهت گیری کرده‌اند و اسپین‌های نواحی مغناطیس شده به صورت منظم به یک سمت جهت گیری کرده‌اند. اعمال یک میدان مغناطیسی کوچک خارجی، مرز بین حوزه‌ها را از بین می‌برد تا حوزه‌های مغناطیسی بزرگتری تشکیل دهد وهرچقدر این میدان اعمالی خارجی بزرگتر باشد ، حوزه‌ها هم جهت‌تر با میدان شده و مغناطش خالص بزرگتر ‌‌می‌شود.

در انیمیشن زیر بزرگ شدن حوزه‌های مغناطیسی و جهت گیری آن‌ها به سمت میدان مغناطیسی اعمالی را مشاهده میکنید.

(فلش سفید جهت میدان مغناطیسی خارجی را نشان میدهد و در حوزه‌های سیاه رنگ مغناطش با میدان خارجی هم جهت شده است ) مشاهده میکنید که با اعمال میدان مغناطیسی و افزایش قدرت میدان مغناطیسی خارجی حوزه های بیشتر با میدان مغناطیسی خارجی هم جهت می‌شود ( نواحی تیره رنگ بزرگ تر می‌شوند) .

مواد فرومغناطیس موادی هستند که به شدت جذب میدان مغناطیسی خارجی می‌شوند و خاصیت مغناطیسی زیاد و مثبتی دارند. فلزاتی چون آهن، نیکل و کبالت از این دسته‌اند. این مواد حتی با قطع میدان میدان مغناطیسی خارجی، خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند. به همین علت هست که ابزارهای پزشکی و غیر پزشکی ساخته شده از این فلزات به هنگام حضور در میدان مغناطیسی، مثل مگنت MRI به شدت و با سرعت جذب میدان شده و می‌تواند صدمات جبران ناپذیری به بیمار و دستگاه MRI وارد کنند. موادی همانند کلیپس آنوریسم، ترکش، کپسول اکسیژن، ویلچر و یا اشیای فلزی دیگری همچون سنجاق سر و …

3) مواد پارا مغناطیس paramagnetism

این مواد دارای اوربیتال اتمی جفت نشده مداری ( اوربیتال اتمی نیمه پر ) هستند که میدان مغناطیسی کوچکی در اطراف این الکترون ها ایجاد می‌شود که به آن ممان مغناطیسی می‌گویند. هنگامی که این مواد در میدان مغناطیسی خارجی قرار میگیرند، این ممان‌های مغناطیسی هم جهت با میدان مغناطیسی خارجی شده و به این ترتیب خاصیت مغناطیسی افزایش می‌یابد. بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی این ممان‌های مغناطیسی در جهت‌های مختلف و به صورت کاتوره‌ای حرکت کرده و اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. و این مواد دیگر خاصیت مغناطیسی ندارند. گادولونیوم (Gd) که از گروه لانتانید‌ها می‌باشد یک پارامغناطیس قوی هست که هفت الکترون جفت نشده دارد و یکی از عناصر کمیاب طبیعت می‌باشد که بیشترین تعداد اوربیتال نیمه پر را دارد. (گادولونیوم در MRI به عنوان ماده کنتراست استفاده می‌شود.)

اگر قسمتی از مغز دارای دئوکسی هموگلوبین باشد، چون این قسمت درون یک ترکیب دیامغناطیس (بافت های نرمال مغز)  واقع شده پس همگنی میدان را بهم می زند، بنابراین بردار مغناطیسی سریع تر دفازه می شود.

4) سوپر پارامغناطیس superparamagnetism

مواد سوپرپارامغناطیس بیشتر شبیه مواد فرومغناطیس هستند تا پارامغناطیس! با این تفاوت که خاصیت آهنربا شدن دائمی را ندارند. و با حذف میدان مغناطیسی خارجی ، خاصیت مغناطیسی شان را از دست می‌دهند.

برای مثال، زمانی که یک ماده فرومغناطیس و چند حوزه‌ای مثل Fe3O4 اندازه‌اش به کمتر از 40 نانومتر برسد. در این حالت یک ذره مغناطیسی تک حوزه‌ای تشکیل خواهد شد. هنگامی که در میدان مغناطیسی خارجی قرار داده شود، این ذره یک مغناطش داخلی قوی از طریق جفت شدگی تبادلی الکترون‌ها در حوزه‌ی مغناطیسی تشکیل خواهد داد و بنابراین یک سوپرپارامغناطیس به وجود می‌آید.

فریتین و هموسیدرین (منبع اتم های آهن) که از تجزیه‌ی هموگلوبین‌ آزاد می‌شوند.به عنوان مواد سوپرپارامغناطیس طبیعی در بدن وجود دارند. ذرات فریته‌ی سوپرپارامغناطیس همچنین به عنوان ماده کنتراست برای کبد و سیستم رتیکولواندوتلیال استفاده می‌شد.

به خاطر درگیر شدن تنها یک حوزه مغناطیسی، پذیرفتاری یک ماده سوپرپارامغناطیس به اندازه ی بزرگی یک ماده فرومغناطیس نیست.

مواد سوپرپارامغناطیس و فرو مغناطیس در زیر مقایسه شده اند.

پیش از این در پرتو رسانه پادکست صوتی آموزش فیزیک MRI بطور کاملا رایگان منتشر شده است (برای شنیدن پادکستها در اینجا کلیک نمایید.)