Alle magnetischen Kerne besitzen eine Eigenschaft, die kernmagnetische Resonanz oder NMR genannt wird, wenn sie sich in einem Magnetfeld befinden und wenn bestimmte andere Bedingungen erfüllt sind. Nach diesen Prinzipien wurden eine Reihe unterschiedlicher Technologien entwickelt. Dazu gehören verschiedene Arten der medizinischen Bildgebung und Spektroskopie.
Kernspinresonanz hängt von der Tatsache ab, dass, wenn ein oszillierender elektromagnetischer Impuls an Kerne in einem Magnetfeld angelegt wird, einzelne Kerne Energie absorbieren und diese Energie dann in bestimmten Mustern abgeben. Das Muster der Energieaufnahme und -abgabe hängt von der Stärke des Magnetfelds sowie von bestimmten anderen Variablen ab. Durch die Untersuchung dieser Muster können Physiker quantenmechanische Eigenschaften von Atomkernen untersuchen. Chemiker können die NMR-Technologie verwenden, um die chemische und strukturelle Zusammensetzung von Proben zu untersuchen, und in der Medizin ist die Kernspinresonanztechnologie die Grundlage für eine häufig verwendete Art von medizinischen Bildgebungsgeräten.
Alle NMR-Technologien beruhen auch auf einer Eigenschaft namens Spin. Bei der Bestimmung, ob ein bestimmter Atomkern einen Spin hat, wird die Anzahl der Nukleonen im Atom gezählt. Das Nukleon ist die Sammelbezeichnung für Protonen und Neutronen. Wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen in einem Kern ungerade ist, ist der Spin der Kerne größer als null. Diesem Kern wird daher die Eigenschaft des Spins zugeschrieben. Jeder Kern, der Spin besitzt, kann mit der NMR-Technologie untersucht werden.
Bei der Kernspinresonanzspektroskopie wird ein als Kernspinresonanzspektrometer bezeichnetes Gerät verwendet, um Informationen über die Art, Anzahl und Anordnung von Kernen in einer bestimmten Probe zu erhalten. Die Analyse eines NMR-Spektrums durch einen Chemiker kann beispielsweise Aufschluss über die verschiedenen Arten von Chemikalien geben, die in einer Probe vorhanden sind, sowie über die Struktur der verschiedenen vorhandenen Moleküle. Die NMR-Spektroskopie hat zum Beispiel maßgeblich zum Verständnis der Struktur von Nukleinsäuren und Proteinen beigetragen und liefert auch Hinweise auf die Funktionsweise dieser Moleküle.
Die Grundlage der Kernspintomographie beruht auf der Tatsache, dass die Resonanzfrequenz verschiedener Moleküle proportional zur Stärke des an sie angelegten Magnetfelds ist. Wenn eine Probe in ein oszillierendes Magnetfeld eingebracht wird, variieren die Resonanzfrequenzen der Kerne in der Probe abhängig davon, wo sie sich innerhalb dieses Feldes befinden. Diese Variationen können dann verwendet werden, um ein Bild der Probe selbst zu erstellen.
In der Medizin wird diese Technik allgemein als Magnetresonanztomographie oder MRT bezeichnet. Dieses medizinische Bildgebungsgerät verwendet Magnetfelder, um die im Wasser vorhandenen Wasserstoffatome auszurichten. Da der menschliche Körper einen großen Anteil an Wasser enthält, liefert eine solche Anordnung von Wasserstoffatomen genügend Informationen, um sich ein Bild vom inneren Aufbau des Körpers zu machen. Der Besitz von Spin ist ein wichtiges Konzept bei dieser Technologie. Dies liegt daran, dass Wasserstoffatome, die einen Spin haben, unterschiedlich auf Magnetfelder reagieren, je nachdem, an welche anderen Arten von Molekülen sie gebunden sind und sogar an welche Arten von Molekülen sie sich in der Nähe befinden.
Die NMR-Technologie hat viele andere theoretische und praktische Anwendungen. Die Erdöl- und Erdgasindustrie verwendet die NMR-Technologie, um bei der Erkundung des Erdgesteins zu helfen, um Lagerstätten dieser Brennstoffe zu lokalisieren. Eine der wichtigsten Anwendungen der NMR-Technologie bei der Untersuchung von Proben besteht darin, dass sie ohne Zerstörung der Probe durchgeführt wird. Das bedeutet, dass NMR-Tests an empfindlichen oder gefährlichen Proben mit deutlich reduziertem Risiko durchgeführt werden können.