Resonancia Magnética Nuclear

Cuando el momento magnético nuclear asociado con el espín nuclear se coloca en un campo magnético externo, a los diferentes estados de espín, le corresponden diferentes energías potenciales magnéticas. En presencia de un campo magnético estático que produce una pequeña cantidad de polarización de espín, una señal de radio frecuencia de la frecuencia apropiada puede inducir una transición entre estados de espín. Este "spin-flip" coloca algunos de los espines en su estados de energía más alto. Si se desconecta después la señal de radio frecuencia, la relajación de los espines de nuevo a los estados más bajos, produce una cantidad medible de señal de RF, a la frecuencia de resonancia asociada con el spin flip. Este proceso se llama Resonancia Magnética Nuclear (NMR).

El momento de dipolo magnético (llamada comúnmente "momento magnético") en un campo magnético, tendrá una energía potencial relacionado con su orientación con respecto a ese campo.

Téngase en cuenta que el momento magnético del espín del electrón es opuesto al espín del electrón mientras que el momento magnético del espín del protón se encuentra en la dirección del espín del protón. El espín electrónico o el espín de protones tenderá a un movimiento de precesión alrededor del campo magnético con una frecuencia llamada tradicionalmente, la frecuencia de Larmor. Para un campo magnético de 1 Tesla esta frecuencia de Larmor sería

La frecuencia de Larmor se puede visualizar clásicamente en términos de la precesión del momento magnético alrededor del campo magnético, de forma análoga a la precesión de una peonza alrededor del campo de gravedad. También se puede visualizar en la mecánica cuántica en términos de la energía cuántica de transición entre los dos estados de espín posibles para un espín de 1/2. Esto puede ser expresado como una energía de fotón de acuerdo con la fórmula de Planck. La diferencia de energía potencial magnética es hn = 2mB. La pequeña tabla de frecuencias de Larmor de abajo es de Hobbie, Capítulo 17 y Becker. Una lista extensa incluyendo los momentos magnéticos y frecuencias de Larmor de la mayoría de los elementos se puede encontrar en el Apéndice A de Becker

La frecuencia de Larmor del espín del electrón, se encuentra en la región de microondas del espectro electromagnético, y se utiliza en la resonancia de espín electrónico.

La precesión del espín del protón en el campo magnético, es la interacción que se utiliza en la NMR de protón. Como técnica práctica, la muestra que contienen protones (núcleos de hidrógeno) se coloca en un fuerte campo magnético para producir una polarización parcial de los protones. También se aplica sobre la muestra un fuerte campo de RF, para excitar algunos de los espines nucleares a sus estados de energía más alto. Cuando se apaga esta fuerte señal de RF, los espines tienden a volver a sus estados mas bajos, produciendo una pequeña cantidad de radiación a la frecuencia de Larmor asociada con ese campo. La emisión de radiación está asociada con la "relajación de espín" de los protones desde sus estados excitados. Se induce una señal de frecuencia de radio en una bobina de detección que es amplificada para mostrar la señal de NMR.

Dado que la frecuencia de Larmor de la señal detectada es proporcional al campo magnético aplicado, el cambio de magnitud de ese campo produce una frecuencia detectada diferente. La colocación de un gradiente de campo magnético a través de una muestra permite localizar la fuente de la señal de RMN de protón en la muestra. Esto se utiliza con gran ventaja en el proceso de imagen médica conocida como Imagen por Resonancia Magnética.