1.6: Relajación Nuclear

La propiedad de los núcleos magnéticos que corresponde a la precesión proporciona un medio mediante el cual la energía puede transferirse de un lado a otro entre los núcleos y sus alrededores. Considerar un vector de campo magnético dispuesto de manera que gire perpendicular a un campo magnético en el que se sumergen núcleos magnéticos que preceden a la velocidad angular mo (Fig. 1-4). Si el vector giratorio tiene una velocidad angular bastante diferente a la de los núcleos de precesión, el vector de campo giratorio y los vectores magnéticos nucleares de precesión no pueden permanecer en fase y no habrá interacción efectiva entre ellos. Por otro lado, si el vector de campo giratorio tiene la misma velocidad angular que los vectores nucleares de precesión, permanecerá en fase con ellos y puede ejercer un par magnético tendiendo a voltear la orientación de los núcleos y de ahí cambiar sus números cuánticos magnéticos. Por supuesto, si cambian los números cuánticos magnéticos nucleares, la energía se transfiere hacia o desde la agencia que produce el vector de campo giratorio. Así, un conjunto de imanes nucleares sumergidos en un campo magnético puede llegar al equilibrio térmico con su entorno.

Un mecanismo importante para la relajación de un grupo de núcleos a una temperatura de espín no equilibrio utiliza movimientos térmicos atómicos y moleculares de la siguiente manera. Supongamos que un núcleo magnético está rodeado por otros de su tipo contenidos en átomos sometidos a violentos movimientos térmicos. Los movimientos térmicos de los núcleos producen campos magnéticos oscilatorios aleatorios que pueden tener componentes de frecuencia con frecuencias iguales a las frecuencias de precesión de los núcleos relajantes y pueden actuar como un vector de campo magnético giratorio para permitir que la energía de orientación magnética se convierta en térmica energía. La velocidad de relajación por este mecanismo depende de la temperatura, la concentración de núcleos magnéticos y la viscosidad del medio. Es cinéticamente un proceso de primer orden y se puede expresar en términos de un “tiempo de relajación”, que es la vida media del exceso de núcleos en el estado no relajado. La relajación térmica suele ser lenta, del orden de segundos a semanas. Un vívido ejemplo lo proporcionan los ₁₃ C de abundancia natural ubicados en el átomo central de las moléculas de neopentano. La abundancia natural de ₁₃ C es tan baja que tales átomos generalmente estarán conectados solo a ₁₂ átomos de C no magnéticos y por lo tanto están protegidos estéricamente de otros núcleos magnéticos como los protones de metilo en la misma molécula o moléculas circundantes. Como resultado, los componentes del campo giratorio producidos por los movimientos térmicos de los núcleos magnéticos circundantes no son muy efectivos para contribuir a la relajación del núcleo central de ₁₃ C, y la vida media antes de la relajación es muy larga.

Como cabría esperar, los movimientos térmicos de sustancias con electrones desapareados son particularmente efectivos para inducir la relajación térmica, y tales sustancias paramagnéticas presentes como impurezas pueden estropear los espectros de alta resolución al hacer que los tiempos de relajación sean muy cortos, lo que, como se verá más adelante, da como resultado ensanchamiento.

En resumen, las transiciones entre estados con varios números cuánticos magnéticos que tienen diferentes energías debido a un campo magnético aplicado pueden ser inducidas por movimientos térmicos de núcleos magnéticos o sustancias paramagnéticas o bien por un campo magnético giratorio externo que tiene una frecuencia igual o muy cercana igual a la frecuencia de precesión de los núcleos.