Risonanza magnetica nucleare

Da "Fisica, onde Musica": un sito web su fisica delle onde e del suono, acustica degli strumenti musicali, scale musicali, armonia e musica.

"Microscopica" introduzione

I nuclei di molti elementi possiedono una proprietà detta momento magnetico di spin. In parole semplici ciò significa che essi si comportano in modo simile a tanti minuscoli aghi di bussola. In presenza di un campo magnetico esterno tendono ad orientarsi nella direzione del campo.

Ho detto che sono "simili" a piccole bussole. Non uguali. Le differenze sono queste

  1. L'ago di una bussola può puntare in qualunque direzione, mentre la bussola microscopica dei nuclei può solo indicare un insieme discreto di direzioni (questo fenomeno è comune a tutte le grandezze del mondo microscopico, e si chiama quantizzazione). Nel caso più semplice (detto spin 1/2) solo due.
  2. A temperatura ambiente una bussola si orienta come impone il campo magnetico terrestre, mentre serve un campo molto più forte per orientare i momenti magnetici nucleari, che, a temperatura ambiente puntano in una direzione a caso tra quelle a loro consentite. Senza il campo esterno, infatti, una direzione vale l'altra.

Funzionamento

  • Per semplicità consideriamo i nuclei di H o di 13C (che abbondano in tutti i tessuti organici). Essi hanno "spin 1/2", cioè per questi nuclei le "minibussole" possono puntare solo in due direzioni.
  • Per fissare le idee chiamiamo su e giù queste direzioni.


  • Se applichiamo un campo magnetico molto intenso in direzione su, succede che una maggioranza delle "mini-bussole" sui nuclei si allineerà con il campo in modo tale da assumere una configurazione energeticamente più stabile.
  • Una parte dei nuclei resterà sempre puntata in direzione giù, a causa dell'agitazione termica, che li muove in modo casuale.
  • Il campo, comunque, ha avuto l'effetto di sbilanciare la popolazione a favore della direzione su.
  • Utilizzando la meccanica quantistica, si può calcolare la differenza in energia tra i nuclei orientati in su e quelli orientati in giù. Tale energia, ovviamente, è tanto maggiore quanto più intenso è il campo magnetico, ma, con i campi che si possono ottenere in laboratorio, corrisponde all'energia di onde elettromagnetiche a radiofrequenza.
  • Riassumendo: inviando un'onda elettromagnetica alla frequenza giusta (cioè in risonanza con la differenza di energia), otteniamo l'effetto di spostare un po' di "mini-bussole" da su a giù.
  • In altre parole, contando la differenza tra il numero di nuclei su e quello di nuclei giù, non otterremo nessun effetto con onde fuori risonanza mentre osserveremo un'improvvisa impennata se useremo la frequenza giusta. Questa frequenza di chiama Frequenza di precessione di Larmor dal nome dello scopritore.

Applicazioni

La risonanza magnetica nucleare è una potente tecnica che permette di indagare la composizione chimica dei materiali, e di ottenere immagini dettagliate delle parti molli del corpo umano (immagini che non possono essere ottenute con la radiografia).

A partire dai principi esposti sopra ancora alcuni passi di elaborazione devono essere fatti per giungere ad un'immagine completa.


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