[محمد شريف البني]

[الجزء الثاني ]



الرنين النووي المغناطيسي ( لأبار البترول ) في الأ عماق الكبيرة


كيف يعمل الرنين النووي المغناطيسي


الرنين المغناطيسي



هي ظاهرة يمكن عن طريقها للنواة أن تمتص إشعاعات كهرومغنطيسية لها تردد معين في وجود مجال مغنطيسي شديد .

وكان أول من اكتشف الرنين المغنطيسي هو إزيدور اسحق رابي (1989- 1988) وهو فيزيائي أمريكي ولد في النمسا وكان هذا الاكتشاف عام 1938.

ومنذ ذلك الحين، تم استخدام الرنين المغنطيسي في الكشف عن الذرات الخفيفة

(مثل الهيدروجين في الهيدروكربونات) وتم استخدامه كطريقة غير إتلافية لدراسة الجسم البشرى .



المرادفات الأخرى للاسم : ر ن م ، الرنين النووي المغنطيسي .


مأخوذة عن مسرد مصطلحات البترول، خدمة حقول البترول، شلمبرجير


يمكن التحكم في حركات الأنوية الذرية بطريقة مباشرة عن طريق جهاز الرنين النووي المغنطيسي (ر ن م).


إن الرنين النووي المغنطيسي اسم "رنان" بالفعل !

ولكن لأننا نتكلم الآن في المجال العلمي فإن الكلمات لا يتم اختيارها لأنها "رنانة" .

هيا نلقى نظرة على الكلمات

رنين : تستخدم ظاهرة الرنين لعمل معالجة ذات كفاءة عالية للأنوية باستخدام المجال المغنطيسي .

مغنطيسي : يتم التحكم في الحركات النووية عن طريق مجالات مغنطيسية


نووي : كلمة نووي تعود إلى نواة الذرة ، وهي تتكون من بروتونات ونيوترونات،

وفي حالة نواة الهيدروجين، تحتوى على بروتون واحد فقط .



الأرض والمنغطيسات الأخرى التي تتحرك حركة مغزلية دورانيَّة



يمكن اعتبار الكثير من أنوية الذرات (وليست كلها) مغنطيسات صغيرة مستقيمة،

لها قطب شمالي وقطب جنوبي .


شكل 1



وتدور الأنوية حول نفسها بسرعة ثابتة بحيث ينطبق محور الدوران على الخط الموصل بين القطبين .


والمنغطيسات التي على شكل قضيب والتي تدور حول نفسها في حركة مغزلية شائعة جداً في الكون .

فذرات الحديد، والأرض ، والشمس، والعديد من الكواكب والنجوم النيوترونية يمكن النظر إليها باعتبارها قضبان مغنطيسية .

والأرض مغنطيس مغزلي معقد إذا ما قورن بنواة الذرة،


نظراً لأن القطب الشمالي الجغرافي (محور الدوران) للأرض لا ينطبق تماماً مع القطب المغنطيسي الشمالي .

وتسلك الأنوية سلوكا أفضل : حيث تتطابق أقطابها المغنطيسية والجغرافية .

وتعتبر ذرة الهيدروجين، التي تتكون من بروتون واحد،

أحد المكونات المغنطيسية الشائعة في الماء والغاز والنفط .


ونحن مهتمون بصفة خاصة بتلك الأنوية لأننا نبحث عن الهيدروكربونات .



ترتيب المغنطيسات النووية


شكل 2




من الطبيعي أن تتجه الأقطاب الشمالية للأنوية إلى الاتجاه الذي تريده،

وما لم يخبرها أحد بما عليها أن تفعله فسوف تفعل ما يحلو لها .

والخطوة الأولى في قياس الرنين النووي المغنطيسي هي رص المغنطيسات النووية باستخدام مجال مغنطيسي قوى نصنعه بوضعهم في مغنطيس كبير،

وسوف يؤدي ذلك إلى ترتيبهم، بحيث تتجه الأقطاب الشمالية للأنوية إلى القطب الجنوبي للمغنطيس .

وسوف تكون الأنوية المغنطيسية سعيدة عند ترتيبها بواسطة مجال مغنطيسى .

فسوف يكونون في وضع الراحة الذي يطلق عليه الفيزيائيون وضع الاتزان أو الوضع ذي الطاقة المنخفضة .

وهو يشبه إلى حد كبير طفل كسول يجلس في أرجوحة ولا يذهب إلى أي مكان آخر . إنه سعيد !



[bor=FF0000]مشروع منزلي: رتب الأنوية الذرية في يديك . المواد المطلوبة :

(1) مغنطيس ثلاجة ،

(2) يدك .

الإجراءات ضع المغنطيس في يديك . لقد فعلتها ! إنها سهلة ولكنها غير جذابة [/bor]




إحداث اضطراب في المغنطيسات




الخطوة الثانية في قياس الرنين النووي المغنطيسي هي أن تجعل الأشياء تتحرك .

ويتم ذلك بتأثير مجال مغنطيسي آخر، ولكنه يكون قادراً على عمل رنين مع الحركة النووية .





شكل 3








مجال مغناطيسي متردد يسمى ب1 يكون عموديا على المجال المغناطيسي الدائم بَ


بعد 1ب برهة، يتم ترتيب الأنوية بحيث تدور في المستوى العمودي على المجال بَ


وهو وضع يشبه سحب أرجوحة الطفل الكسول ثم دفعها ولكنك لا تعطيها دفعة قوية .

فأنت تعطي الأرجوحة العديد من الدفعات الصغيرة في كل مرة تكون قريبة فيها من أقصى نقطة تصل إليها .

وتسمى الحركة المنتظمة جيئة وذهابا والتي يمكن تكبيرها بواسطة دفعات صغيرة بـ "الرنين". ويصدق نفس القول على الأنوية ،


فلكي تجعلها تشير بعيداً عن المغناطيس الكبير ، عليك أن تعطيها دفعات






ونظرا لأن النواة تدور حول نفسها في حركة مغزلية، فإنها تشبه الجيروسكوب

(وهو جهاز يستخدم لحفظ الاتجاه والتوازن) أو لعبة "النحلة"،

فعندما يتجه جهاز الجيكروسكوب أو اللعبة الى أعلى في مجال الجاذبية الأرضية ،

تدور النواة ، ولكن اذا انحرف عن الاتجاه الأعلى فان النواة تدخل في حركة مدارية تدعى الحركة البدارية .

ان سرعة الحركة البدارية التي تعد أبطأ بكثير من سرعة الدوران تعتمد على حجم وشكل جهاز الجيروسكوب وعلى سرعة دورانه وقوة الجاذبية .



وعندما يتم جعل النواة مائلة بالنسبة لاتجاه المجال المغنطيسي،

تكتسب حركة انقلابية .

وتعتمد سرعة حركة تقدم الإعتدالين على خواص النواة (معدل الغزل، الخ)

وقوة المجال المغنطيسي – وهو أمر يشبه الجيروسكوب .

وهذه الخواص لا تتغير أبدا، ولذا فإن كل ما يلزمنا هو شدة المجال المغنطيسي لكي يمكننا التنبؤ بدقة بتردد حركة تقدم الإعتدالين ،

وهو تردد الدفعات التي يجب علينا القيام بها للحصول على نواة منحرفة عن اتجاه المجال المغنطيسي الرئيسي وبذلك نحصل على حركة انقلابية .

وتأتى الدفعات من المجال المغنطيسي الثاني الذي يتغير في نفس الوقت بنفس المعدل مثل حركة تقدم الإعتدالين ،

أي أنه يكون في حالة رنين مع الحركة النووية

(رنين .... نووي .... مغنطيسي - هل بدأت هذه الكلمات تصبح ذات معني ؟) .

وبمجرد أن تضع الطفل الكسول داخل الأرجوحة ،

فإنه سوف يستمر في التأرجح لفترة ما بعد توفقك عن الدفع .

ونفس هذه الشي سوف تفعله الأنويه،

فكل ما تحتاجه الأنوية هو دفعة سريعة من الموجات الإشعاعية التي تستمر لفترة 10 ميكرو ثانية مثلا (نعم، ميكروثانية !)

وذلك للحفاظ عليها في حركتها لفترة تمتد إلى عدة ثوان نعم، ثوان .


هل تعلم …. ما هو نوع المجال المغنطيسي الذي يتغير دورياً لكي يعطي الأنوية دفعة

على فترات زمنية منتظمة ؟ إنها موجات لاسلكية ،

بالمناسبة ، توجد في أجهزة الرنين النووي المغنطيسي دوائر إلكترونية مثل محطات الإذاعة .

وتستخدم بعض معدات الرنين النووي المغنطيسي نفس تردد موجات الـ FM

التي تقع بين 88 و 108 ميجا هيرتز (88 إلى 108 مليون دورة في الثانية) .) .



مراقبة حركة الأنوية



حتى لو أغلقت عينيك، فأنت تعرف أن الطفل الكسول مازال يتأرجح . كيف؟ إنه مازال يتهلل.

ومرة أخرى، فإن الأنوية المغنطيسية تكون في وضع يشبه ذلك حد كبير .

فطالما كانت بعيدة عن تأثير مغنطيس كبير، أو بتعبير آخر، ليست في حالة اتزان، فإنها ترسل موجات لاسلكية، وتشبه كل نواة محطة إذاعة صغيرة،

وبالتأكيد فإن جزءا من جهاز الرنين النووي المغنطيسي هو عبارة عن مستقبل يعمل على استقبال الإنبعاثات من الأنوية أثناء تحركها .

وقد تم بناء أول جهاز للرنين النووي المغنطيسي مع أجهزة الرادارة العتيقة التي كانت تستخدم في الحرب العالمية الثانية،

وهي أجهزة كانت تضم جهاز الإرسال والاستقبال في وحدة واحدة .


الاسترخاء


وبمجرد أن تضع الطفل الكسول في الأرجوحة ،

فإنه سوف يستمر في التأرجح لفترة ما بعد توقفك عن الدفع ولكنه لكن يكون سعيداً،

فإنه خارج حالة الاتزان، إنه في حالة ذات طاقة عالية، وهذه ليست طبيعته .

وبعد برهة ستقل سرعة الأرجوحة لأسباب مختلفة،

مثل الاحتكاك مع الهواء والاحتكاك عند الوصلات التي تتعلق منها الأرجوحة في الهيكل ،

ولكن الطفل الذي يريد أن يصل إلى حالة السكون بسرعة،

يسحب قدمه قليلاً فتقل سرعته حتى يصبح مرة ثانية في وضع السكون ويشعر بالسعادة .

وتشبه النواة الطفل إلى حد كبير ،

فيمكنك جعلها تتحرك باستخدام موجات لاسلكية وسوف تستمر في الحركة لفترة ما حتى بعد انقطاع تلك الموجات،

ولكنها ليست سعيدة ،

وسوف تجد لنفسها طريقا للعودة ببطء إلى حالة الاتزان وترتب نفسها مع المجال المغنطيسي الدائم الموجودة في جهاز الرنين النووي المغنطيسي .

ولكن انتظر قليلاً ، فليس للأنوية أقدام . فكيف تستطيع أن تبطئ من سرعتها ؟



مخطط 1




هناك طرق عديدة تسلكها النواة لكي تفقد طاقتها ويعود إلى حالة الاتزان .


وأحد هذه الطرق، إذا كانت النواة في جزيئات مادة سائلة، مثل الماء، أن تصطدم بسطح صلب .

وفي كل مرة يضرب الجزئ سطحاً صلباً يكون لدى النواة فرصة لأن تعود إلى حالة الترتيب السعيدة مع المجال المغنطيسي القوى .

ويسمى ذلك … بالاسترخاء . وهكذا ترى أنه حتى الأنوية تحب أن تسترخي.


وفي المسام الكبيرة يكون لدي جزيئات المائع حيزاً أكبر لكي تتحرك فيه بدون الاصطدام بالجدران . ولذا تكون تلك الاصطدامات أقل حدوثاً،

وفي الصخر يعتمد استرخاء الرنين النووي المغنطيسي على حجم المسام:

فكلما كبرت المسام زاد الزمن المطلوب لحدوث استرخاء الرنين النووي المغنطيسي .

ولحساسية الرنين النووي المغنطيسي تجاه حجم المسام تطبيقان بسيطان ولكنها قويان جداً .

أولهما هو النفاذية والتي تتحدد عن طريق حجم المسام .

وبمزيد من الدقة، تتناسب النفاذية مع مربع قطر المسام،

لذا يتوقع المرء أن تتناسب النفاذية مع مربع زمن استرخاء الرنين النووي المغنطيسي .


وقد تأكدنا من صحة تلك العلاقة بإجراء اختبارات معملية على المئات من الأنواع المختلفة من الصخور




والتطبيق الثاني


لبيانات الرنين النووي المغنطيسي هو تحديد توزيع أحجام المسام ،


مخطط 2


ونظرا لوجود اختلاف في حجم المسام التي تكون موجودة في نفس الصخرة،

فإن مدى التوزيع يكون كبيراً .


ومن هذا التوزيع يعرف الجيولوجيون الكثير عن الصخور،


ويكون ذلك أفضل من النظر إليها تحت المجهر .

هناك المزيد حول هذا الموضوع

الترتيب، والاضطراب ، والاسترخاء هي أساسيات الرنين النووي المغنطيسي،

ولكن – وكما هو الحال في كل مجالات العلم –

فإن هذه التعبيرات تمثل مجرد البدايات لقصة طويلة جداً ومعقدة جداً ومثيرة للاهتمام بدرجة كبيرة .


وقد حصل العديد من العلماء على جائزة نوبل عن أعمالهم المتعلقة بتفصيلات هذا المجال من العلم .


.......... يتبع .........

الموضوع منقول


شكراً لكم جميعاً

محمد شريف البني