....Breve introduzione teorica alla Spettroscopia NMR

I nuclei degli atomi che possiedono un numero dispari di protoni, un numero dispari di neutroni o tutte e due le cose, ruotano su se stessi (spin) e quindi hanno un momento angolare. Questo momento angolare è caratterizzato da un numero quantico di spin nucleare I tale che:

I = 1/2 n . . . . . . . . . . . dove n è un numero intero 0, 1, 2, 3 ... ecc.

Quindi I può assumere i valori 0, 1/2, 1, 3/2, ecc…
I nuclei con I = 0 non possiedono momento angolare di spin e non danno luogo ai fenomeni della risonanza magnetica. I nuclei di 12C e 16O cadono in questa categoria.
Infine 2H e 14N hanno I = 1, anche questi sono osservabili all'NMR, ma hanno un comportamento più complesso. In questa dispensa ci occuperemo solo di nuclei con spin = 1/2.

Poichè i nuclei atomici possiedono una carica, un nucleo che ruota genera una piccola corrente elettrica e ha un piccolo campo magnetico associato. Il dipolo magnetico µ del nucleo varia per ogni elemento.

Quando un nucleo dotato di spin viene immerso in un campo magnetico, il nucleo, come l'ago di una bussola, è sottoposto ad una coppia di forze che lo fanno ruotare per allinearlo col campo magnetico esterno. Per un nucleo con spin 1/2, ci sono due orientamenti permessi del nucleo: parallelo al campo (bassa energia) e contro il campo (alta energia). Poichè la differenza di energia tra i due stati è piccolissima, dell'ordine di 9 10-6 kcal mol-1, si raggiunge rapidamente l'equilibrio tra i due stati e in media solo il 50% dei nuclei immersi nel campo magnetico Bo assume l'orientamento allineato con il campo, mentre il restante 50% assume l'orientamento opposto.

Se i nuclei orientati vengono ora irradiati con radiazione elettromagnetica di opportuna frequenza, gli stati di energia più bassa (allineati al campo) assorbono un quanto di energia e ruotano il proprio spin per assumere lo stato di alta energia (opposti al campo). Quando si verifica questa transizione di spin, si dice che i nuclei sono in risonanza con la radiazione applicata, da qui il nome Risonanza Magnetica Nucleare, NMR.

La frequenza della radiazione elettromagnetica necessaria per la risonanza dipende sia dalla forza del campo magnetico esterno che dalle caratteristiche del nucleo in esame. Il nucleo del protone, posto in un campo di 2.35 Tesla, risuona quando viene irradiato con una radiazione intorno ai 100 MHz (radiazione di microonda); campi magnetici più alti, come quelli generati dai magneti superconduttori, richiedono radiazione di energia più alta e forniscono spettri di risoluzione maggiore.

Avanti: Teoria NMR (2) Spostamento Chimico

Le pagine sulla teoria dell'NMR sono disponibili anche in formato PDF
Spettroscopia NMR.pdf

per una trattazione più approfondita delle basi teoriche della spettroscopia NMR vedi
Basi Teoriche NMR - (1) (livello 2)

Spettroscopia NMR