INTERACCIÓN CON LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
En el apartado anterior habíamos dejado las moléculas de metano dentro de un campo magnético externo intenso (Ho). Los núcleos de 1H, todos indistinguibles, se habían dividido en dos grupos separados por una cierta energía, aunque tremendamente pequeña. El 1% de los C (13C) también se habían dividido en dos grupos, separados por la cuarta parte de la energía que separaba a los grupos de 1H.
Separación de los núcleos en dos niveles de energía por efecto del campo magnético.
Las diferentes espectroscopías (rayos x, IR, EM) son siempre el resultado de una perturbación del sistema. En rayos x, la difracción que los electrones hacen de la radiación incidente. En IR, la modificación de las vibraciones moleculares por la radiación incidente. En EM la ionización y posterior deflexión de la trayectoria de los iones formados.
Cómo podemos producir una perturbación observable en RMN?
No es difícil conceptualmente: incidiendo en el sistema con una onda electromagnética de frecuencia idéntica a la correspondiente a la separación de los niveles de energía, es decir, 80 MHz para 1H y 20 MHz para 13C, si los núcleos están inmersos en un campo de 1.81 Tesla. Repasa la sección anterior.
Así se explica el nombre de “Resonancia Magnética Nuclear”: los “núcleos” se introducen en un campo “magnético” y se consigue su “resonancia” mediante una onda electromagnética.
Consideremos un cierto número de moléculas de metano, por ejemplo, un mol (6,023·10^23 moléculas). La separación de los núcleos en los dos grupos no es exactamente al 50% porque la diferencia de energía, aunque extremadamente pequeña, es finita y provoca que la población del nivel más bajo en energía n(1/2) sea ligeramente mayor que la del más alto n(-1/2).
Diferencia de poblaciones entre los niveles de energía
Composición de los vectores magnéticos nucleares en la "magnetización macroscópica"
¿Cuál es el efecto de esa “resonancia”?
Para entenderlo es mejor considerar la componente magnética total de todos los núcleos, que es la resultante de todos los vectores magnéticos nucleares, dando lugar al vector "magnetización macroscópica" (M0).
Una de las consecuencias de la “constante giromagnética” propia de cada núcleo es que los vectores magnéticos individuales no se pueden alinear totalmente con el campo magnético externo y forman un cierto ángulo con él.
Según las leyes de la física, un vector magnético no alineado de forma perfecta con un campo externo, empieza a girar (“precesionar”) en torno al eje del campo, con una frecuencia que se corresponde con la asociada a "deltaE", es decir, 80 MHz para 1H y 20 MHz para 13C, en el campo H0 de 1.81 Tesla que hemos tomado como ejemplo.
Eso se traduce gráficamente en que el número de vectores girando en torno al eje +z del campo es ligeramente mayor que los que lo hacen en torno al -z.
Por tanto, la composición de todos los vectores no es nula y aparece una “magnetización macroscópica” (M0) longitudinal con el campo magnético externo.
¿Qué sucede ahora si irradiamos el sistema con una radiación electromagnética (B1) de frecuencia idéntica a la de la “precesión” de los núcleos y perpendicular a H0?
Efecto en la "magnetización macroscópica" de la irradiación con una radiación electromagnética B1.
Ocurren dos cosas a la vez:
1) Los núcleos empiezan a coordinar su giro, giran “en fase”
2) Los núcleos en el nivel inferior adquieren energía y promocionan al nivel superior.
Ten en cuenta que, para un campo externo de 1.81 Tesla, si la radiación electromagnética incidente es de 80 MHz, sólo los 1H se ven afectados. Para perturbar al 1% de 13C tendremos que usar una radiación de 20 MHz, con lo que los 1H no se afectarán. Cada núcleo tiene su “propio canal”, como si fuera un “walkie-talkie”.
Canales de comunicación de una molécula orgánica en el experimento RMN.
El resultado es que la componente macroscópica “longitudinal” al campo H0 se desvía del eje z.
Si la radiación electromagnética B1 se mantiene durante el tiempo suficiente, Mo acaba en el plano perpendicular (x,y) y se transforma en “transversal” (Mxy) al campo H0. Esto es consecuencia de los dos fenómenos simultáneos que ya citamos:
1) el giro “en fase” y 2) la promoción de los núcleos al nivel superior, que altera las poblaciones iniciales.
Una vez situada la magnetización macroscópica en el plano x,y dejamos de irradiar con B1 y observamos como el sistema recupera la situación inicial de equilibrio. Intercambiamos entonces los papeles de nuestro “walkie-talkie” imaginario: el emisor pasa a receptor y viceversa.
