1.9: La señal de resonancia nuclear

El funcionamiento del espectrómetro de resonancia magnética nuclear puede discutirse ahora en términos de las propiedades magnéticas de los núcleos descritos anteriormente. Como revisión rápida, observamos como antes que la muestra es sometida a (1) un gran campo magnético variado por el generador de barrido y dirigido a lo largo del eje Z y (2) un campo magnético alterno a lo largo del eje X producido por la bobina del oscilador (Fig. 1-5). La bobina receptora está orientada para responder a un campo magnético alterno a lo largo del eje Y, y el oscilador debe inducir un componente de magnetización Y en la muestra si el receptor va a captar una señal. A nivel nuclear, la situación es como se muestra en la Fig. 1-6. En primer lugar, observamos que un conjunto de núcleos magnéticos colocados en un campo magnético experimentan relajación y alcanzan aa distribución de equilibrio en la que hay un ligero exceso con el número cuántico magnético +1/2 Este exceso de núcleos con m = +1/2 se combinan para dar un pequeño resultado macroscópico magnetización en la dirección Z. Además, cada núcleo actúa como si estuviera precediendo alrededor del eje del campo magnético con la velocidad angular\(\omega \) o (igual a\(\gamma \) H _o). Al inicio de un experimento de resonancia magnética nuclear, los núcleos no tendrán coherencia de fase y el exceso de imanes nucleares con m = +1/2 se representa gráficamente al tener los vectores magnéticos individuales distribuidos uniformemente sobre la superficie de un cono cuyo eje coincide con la dirección del campo magnético. Ante esta situación, no habrá componente X, Y neto de magnetización nuclear.

Considera que los núcleos están ahora sujetos a un campo magnético alterno en la dirección X producido por el oscilador rf. Este campo no tendrá componente neto en la dirección Y, pero podemos considerar que está formado por dos vectores magnéticos iguales que giran a la misma velocidad en direcciones opuestas con relaciones de fase para que se cancelen exactamente entre sí en la dirección Y. Uno de estos vectores girará en la misma dirección que el preceso de los imanes nucleares mientras que el otro girará en sentido contrario. Por supuesto, el campo que gira de manera opuesta a la dirección de la precesión nuclear no interactuará con los núcleos porque no puede permanecer en fase con ellos. Sin embargo, el campo que gira en la misma dirección puede permanecer en fase y tender a voltear los imanes nucleares, siempre que tenga la misma velocidad angular (ver Sec. 1-6).

En un experimento típico de resonancia magnética nuclear, cambiamos la frecuencia de precesión de los núcleos variando el campo magnético aplicado y manteniendo constante la frecuencia del oscilador. A algún valor del campo, la frecuencia de precesión nuclear se vuelve igual a la frecuencia del vector de campo giratorio producido por el oscilador, y la energía puede entonces ser transferida del oscilador a los núcleos, provocando que algunos de ellos pasen al estado de energía superior con m = -1/2. Al mismo tiempo, el vector de campo giratorio actúa para inclinar los vectores de los imanes nucleares individuales, con los que está 90" desfasado, lejos del eje del campo y así hace que el eje del cono de vectores se “tambalee” alrededor del eje del campo a la frecuencia de precesión. Esto tiene un efecto tal como resultaría del agrupamiento de los vectores nucleares como se muestra en la Fig. 1-7, de manera que el resultante macroscópico se aleja del eje del campo y produce un componente giratorio de magnetización en las direcciones X e Y que, por supuesto, precede alrededor del eje del campo con el mismo angular velocidad como los núcleos individuales. Este campo alterno en la dirección Y induce una corriente en la bobina receptora y, por lo tanto, genera una señal de RMN.

A medida que el campo magnético se incrementa a través de la acción del generador de barrido, los núcleos aumentan sus frecuencias de precesión y caen fuera de fase con el vector de campo giratorio. En este punto, la relajación transversal y longitudinal devuelve la magnetización nuclear de los núcleos en las direcciones X, Y y Z a los valores de equilibrio. A medida que la magnetización Y disminuye por la relajación transversal, la señal muere en el receptor.