Fizica rezonanței magnetice

Rezonanță magnetică, absorbție sau emisie de radiații electromagnetice de către electroni sau nuclei atomici ca răspuns la aplicarea anumitor câmpuri magnetice. Principiile rezonanței magnetice sunt aplicate în laborator pentru a analiza proprietățile atomice și nucleare ale materiei.

O rezonanță cu spin electron (ESR) a fost observată pentru prima dată în 1944 de un fizician sovietic, YK Zavoysky, în experimente pe sărurile grupului de fier de elemente. ESR a făcut posibilă studierea unor fenomene precum defectele structurale care conferă anumitor cristale culoarea lor, formarea și distrugerea radicalilor liberi în probe lichide și solide, comportamentul electronilor liberi sau de conducere în metale și proprietățile stărilor metastabile (stări excitate care sunt de lungă durată, deoarece transferul de energie din ele prin radiație nu are loc) în cristale moleculare.

Rezonanța magnetică nucleară (RMN) a protonilor a fost observată pentru prima dată în Statele Unite în 1946 de către Felix Bloch, William W. Hansen și Martin E. Packard și independent de Edward M. Purcell, Robert V. Pound și Henry C. Torrey. Oamenii de știință au observat curând RMN în practic toate nucleele stabile cu momente nucleare mai mari de zero (aproximativ 100 de specii). Descoperirile ulterioare cu RMN au inclus efecte quadrupole electrice; o schimbare importantă a frecvențelor RMN în metale; și împărțirea nivelurilor de energie în lichide rezultate din variații în structura chimică și influența unui spin nuclear asupra altuia.

O particulă de materie care se învârte în jurul propriei axe sau se deplasează pe o orbită în jurul unui punct extern acționează ca un giroscop: rezistă forțelor care tind să-și schimbe starea de mișcare. Măsurarea acestei rezistențe este momentul unghiular mecanic, care depinde de masa particulei, dimensiunea acesteia sau cea a orbitei sale și de viteza unghiulară (numărul de rotații pe unitatea de timp). Momentul unghiular este reprezentat de un vector direcționat de-a lungul axei de rotație. O sarcină electrică în astfel de mișcare creează un câmp magnetic cu forța și direcția reprezentate de un vector magnetic notat μ. Acest vector, care este proporțional cu mărimea încărcăturii (în loc de masa unei particule), măsoară tendința axei de rotație a sarcinii de a se alinia în direcția unui câmp magnetic extern. Mișcarea unei particule care are atât masă, cât și sarcină este caracterizată de ambii vectori, care vor fi coliniare, dar pot fi direcționate opus, în funcție de semnul încărcăturii.

Dacă un magnet de bară care nu se învârte este plasat într-un câmp magnetic, polul său nord caută polul sud al câmpului și vine să se odihnească cu propriul câmp aliniat cu câmpul extern. Munca ar fi necesară pentru a-și schimba orientarea; acest lucru înseamnă că sistemul poate stoca energie potențială. Energia asociată magnetului depinde, așadar, de momentul său magnetic, de forța câmpului magnetic extern și de unghiul dintre direcția momentului magnetului și direcția câmpului extern.

În figura 1, vectorul magnetic μ al unei particule încărcate se înfășoară ca fiind întins de-a lungul axei de rotație. Câmpul magnetic înconjurător (simbolizat prin vectorul H) exercită un cuplu care tinde să alinieze μ și H, dar acest cuplu interacționează și cu vectorul momentului unghiular; efectul acestei interacțiuni este acela de a provoca axa spinului (și vectorul momentului magnetic) să sufere așa-numita precesie Larmor, adică să descrie un con despre direcția câmpului magnetic. Conform electrodinamicii clasice, frecvența (ω _L) a precesiunii Larmor (numărul de rotații pe secundă a vectorului μ despre vectorul H) ar trebui să fie independentă de unghiul de orientare (θ). Dar conform mecanicii cuantice, unghiul de orientare al unei singure particule poate asuma doar anumite valori discrete, deoarece momentul unghiular al particulei trebuie să fie un multiplu integral al unei unități fundamentale a momentului unghiular. Din acest motiv, o particulă rotativă încărcată într-un câmp magnetic ocupă unul dintre seturile limitate de stări magnetice discrete.

În dispozitivele cu rezonanță magnetică, un câmp oscilant slab (H ') este suprapus pe un câmp constant constant (H), așa cum se arată în figura 1, iar vectorul său se rotește cu o viteză unghiulară (ω) într-un plan perpendicular pe direcția de câmpul puternic. Dacă viteza de rotație (ω) a câmpului slab suprapus este diferită de frecvența Larmor (ω _L) a particulei de precesare, cele două câmpuri rotative vor fi în afara fazei; axa particulei va fi atrasă și respinsă succesiv de câmpul rotativ suprapus în timpul revoluțiilor complete și se va ondula doar ușor. Cu toate acestea, atunci când sunt sincronizate, o axă constantă va acționa asupra axei. În această situație, numită rezonanță, unghiul de orientare (și odată cu el starea de energie magnetică) a particulei se va schimba brusc. Atunci când un sistem este ridicat la o stare superioară, energia este extrasă din câmpul suprapus, și invers. Utilizarea unui câmp oscilant pentru producerea rezonanței este uneori numită „conducerea unei rezonanțe”.

Fiecare experiment în rezonanță magnetică implică detectarea rezonanței - adică a stabili că tranziția a avut loc efectiv. Rezonanța magnetică (MR) folosește detectarea electromagnetică, în care energia eliberată sau absorbită într-o tranziție este exact aceea care este măsurată. Într-un spectrometru MR (figura 2), cantitatea de energie extrasă din câmpul suprapus este continuu măsurată și înregistrată pe o diagramă cu bandă, în timp ce frecvența câmpului este lent variată. Recordul rezultat, sau spectrul, este de obicei o linie dreaptă - care indică faptul că eșantionul nu absoarbe nicio energie - rupt de vârfuri la frecvențele de rezonanță. În condiții experimentale tipice, aceste vârfuri sunt atât de înguste (deoarece rezonanțele sunt foarte accentuate), încât apar ca linii perpendiculare pe urmele plane obținute pe intervalele de frecvențe nerezonante. Aceste așa-numite linii spectrale cu rezonanță magnetică sunt doar aproximativ analoge liniilor de absorbție și emisie observate în spectre optice. Interpretarea MR în materie în vrac este complicată considerabil de relația rotirilor între ele și cu celelalte grade de libertate ale eșantionului. Totuși, această complicație se dovedește a fi un avantaj mai degrabă decât un dezavantaj al rezonanței magnetice, deoarece tocmai existența acestor interacțiuni face din MR un astfel de instrument remarcabil pentru studiul materiei în vrac.

În numeroase tipuri de atomi, toți electronii sunt împerecheați; adică rotirile sunt direcționate în mod opus și, prin urmare, sunt neutralizate și nu există un moment unghiular de rotire net sau un moment magnetic. În alte specii de atomi există unul sau mai mulți electroni care nu sunt împerecheți și, prin urmare, este posibil ca oricare dintre acești atomi să dobândească sau să piardă mai mulți multipli cuantici de energie. Același fenomen apare la multe specii de nuclee, astfel încât nucleele se pot afla în diferite stări de energie magnetică.

Pentru câmpurile magnetice de ordinul câtorva kilogause (gaussul este o unitate de intensitate magnetică; intensitatea orizontală a câmpului magnetic al Pământului este de aproximativ 0,2 gauss) utilizate în spectrometrele MR, frecvențele RMN se încadrează în domeniul de frecvență radio sau de radiodifuziune, întrucât Frecvențele ESR apar în intervalul de microunde sau radar. De exemplu, frecvența proton RMN într-un câmp de 10 kilogauss este de 42,58 megahertz, iar în același câmp frecvența ESR a unei rotiri libere este de 28.000 megahertz. Numărul de rotiri detectabile prin rezonanță magnetică variază mult în funcție de câmpul aplicat, temperatura, natura eșantionului și pentru RMN speciile nucleare; în cele mai bune condiții, poate ajunge la 10 ¹⁸ rotiri pentru RMN și 10 ¹⁰ rotiri pentru ESR.