ALINEAMIENTO DE LOS NÚCLEOS CON UN CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO
Los núcleos con momento magnético, como el 1H y el 13C, se vuelven interesantes cuando se sitúan en un campo magnético externo potente (Ho).
¿Recuerdas cómo funciona una brújula? Es una aguja imantada que, situada en el campo magnético terrestre, se alinea con el polo norte magnético.
Imanes nucleares en presencia y ausencia de un campo magnético externo.
Igual les sucede a los núcleos magnéticos, aunque se necesita un campo magnético mucho más fuerte que el terrestre.
Los núcleos en el campo externo intenso (Ho) se comportan como las agujas de una brújula, con una particularidad, que aproximadamente la mitad de ellas se alinean lo más que pueden con el polo norte y la otra mitad con el polo sur.
Los núcleos que, antes de introducirse en el campo, tenían la misma energía y no mostraban ninguna orientación preferente, pasan a dividirse en dos grupos: los alineados con el polo norte (+z) y los alineados con el polo sur (-z). Ambos tienen energías diferentes, uno de los dos grupos es ligeramente más estable que el otro y está ligerísimamente más poblado.
Separación de los núcleos en dos niveles de energía por efecto del campo magnético.
Considerando la molécula de metano dentro del campo magnético, el 99% de 12C(1H)4, más el 1% de 13C(1H)4, tienen los cuatro hidrógenos equivalentes divididos en dos grupos, unos alineados con el campo y otros en contra, separados por una cierta cantidad de energía. El 1% de 13C(1H)4 tiene además los núcleos de carbono divididos también en dos grupos.
Pero, ¿cuánto es esa energía? ¿Es la misma energía la que separa los dos grupos de los 1H que de los 13C? Las ecuaciones de Plank-Einstein, E = h·"nu"?, y de Larmor, "nu"="gamma"·Ho/2·"pi"?, nos dan la respuesta.
En primer lugar, la diferencia de energía es directamente proporcional al campo externo (H0). Cuanto mayor su intensidad, mayor la separación entre la energía de los núcleos alineados a favor y en contra del campo.
En segundo lugar, la separación depende de una constante propia de cada núcleo, denominada “constante giromagnética” ("gamma"), que para el 1H tiene un valor aproximadamente cuatro veces mayor que para el 13C.
Utilizando números concretos, para un campo externo (H0) de 18100 gauss (1.81 Tesla), la frecuencia es "nu" = 80 MHz para 1H y 20 MHz para 13C.
La frecuencia de 1H es cuatro veces mayor que la de 13C porque la “constante giromagnética” de 1H es cuatro veces mayor que la de 13C.
La diferencia de energía entre los dos niveles de energía es pequeñísima: 5.3·10-26 julios para 1H y de 1.3·10-26 julios para 13C, cuatro veces menor de nuevo como consecuencia de las “constantes giromagnéticas”.
De estas diferencias tan minúsculas de energía depende la espectrometría de RMN. Es casi milagroso que se pueda obtener tanta información estructural de la RMN.
