Tutti i nuclei magnetici possiedono una proprietà chiamata risonanza magnetica nucleare, o NMR, quando si trovano all’interno di un campo magnetico e quando vengono soddisfatte determinate altre condizioni. Sulla base di questi principi è stata sviluppata una gamma di diversi tipi di tecnologia. Questi includono vari tipi di imaging medico e spettroscopia.
La risonanza magnetica nucleare dipende dal fatto che quando un impulso elettromagnetico oscillante viene applicato ai nuclei all’interno di un campo magnetico, i singoli nuclei assorbono energia e quindi rilasciano quell’energia in schemi specifici. Il modello di assorbimento e rilascio di energia dipende dalla forza del campo magnetico e da alcune altre variabili. Esaminando questi modelli, i fisici sono in grado di studiare le proprietà quantomeccaniche dei nuclei atomici. I chimici possono utilizzare la tecnologia NMR per esplorare la composizione chimica e strutturale dei campioni e, in medicina, la tecnologia di risonanza magnetica nucleare è la base di un tipo spesso utilizzato di apparecchiature di imaging medico.
Tutta la tecnologia NMR si basa anche su una proprietà chiamata spin. Quando si determina se un dato nucleo atomico ha spin, viene contato il numero di nucleoni nell’atomo. Il nucleone è il nome collettivo dato a protoni e neutroni. Se il numero di protoni e neutroni in un nucleo è un numero dispari, la quantità di spin che i nuclei hanno è maggiore di zero. Si dice quindi che quel nucleo possieda la proprietà di spin. Qualsiasi nucleo che possiede spin può essere esaminato utilizzando la tecnologia NMR.
Nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, una macchina chiamata spettrometro a risonanza magnetica nucleare viene utilizzata per ottenere informazioni sul tipo, il numero e la disposizione dei nuclei all’interno di un dato campione. L’analisi di uno spettro NMR da parte di un chimico, ad esempio, può fornire informazioni sui diversi tipi di sostanze chimiche presenti all’interno di un campione, nonché sulla struttura delle diverse molecole presenti. La spettroscopia NMR, ad esempio, è stata determinante per comprendere come sono strutturati gli acidi nucleici e le proteine e fornisce anche indizi su come funzionano queste molecole.
La base della risonanza magnetica nucleare si basa sul fatto che la frequenza di risonanza di diverse molecole è proporzionale alla forza del campo magnetico che viene loro applicato. Quando un campione viene posto all’interno di un campo magnetico oscillante, le frequenze di risonanza dei nuclei all’interno del campione variano a seconda di dove si trovano all’interno di quel campo. Queste variazioni possono quindi essere utilizzate per creare un’immagine del campione stesso.
In medicina, questa tecnica è comunemente nota come risonanza magnetica per immagini o risonanza magnetica. Questa apparecchiatura di imaging medico utilizza campi magnetici per allineare gli atomi di idrogeno presenti nell’acqua. Poiché il corpo umano contiene una grande proporzione di acqua, l’allineamento degli atomi di idrogeno in questo modo produce informazioni sufficienti per costruire un’immagine della struttura interna del corpo. Il possesso di spin è un concetto importante in questa tecnologia. Questo perché gli atomi di idrogeno, che hanno spin, rispondono in modo diverso ai campi magnetici a seconda di quali altri tipi di molecole sono legati e anche dei tipi di molecole a cui sono posizionati vicino.
La tecnologia NMR ha molte altre applicazioni teoriche e pratiche. Le industrie del petrolio e del gas naturale utilizzano la tecnologia NMR per aiutare nell’esplorazione della roccia terrestre per individuare i depositi di questi combustibili. Uno degli usi più significativi della tecnologia NMR nell’esame dei campioni è che viene eseguita senza distruggere il campione. Ciò significa che i test NMR possono essere eseguiti su campioni delicati o pericolosi con un rischio molto ridotto.