1.1 Das elektromagnetische Spektrum
NMR-Spektroskopie
Nukleare Eigenschaften
Wir sind es gewohnt, bei chemischen Eigenschaften an die verschiedenen Elemente (mit definierter Ordnungszahl) zu denken. Bei nuklearen Eigenschaften müssen wir an Isotope denken (Massenzahl) - verschiedene Isotope desselben Elements haben unterschiedliche nukleare Eigenschaften. Die wichtigste Kerneigenschaft, die uns im Zusammenhang mit der NMR interessiert, ist der Kerndrehimpuls - die Spinquantenzahl I, der "Spin" des Kerns.
I = 0 kein Spin, der Kern hat kein magnetisches Moment und keine NMR-Eigenschaften
I > 0 der Kern hat einen Spin (I = 1/2, 1, 3/2, 2, ...) und einen magnetischen Dipol μ und ist daher für NMR-spektroskopisch geeignet.
Kerne mit I = 1/2 haben besonders vorteilhafte NMR-Eigenschaften, und eine große Anzahl aller NMR-Experimente wird mit solchen Isotopen durchgeführt.
Kerne mit I > 0 haben einen Drehimpuls P (Spin), dessen Richtung die Spinachse ist. Der Drehimpuls ist quantisiert und kann nur einen Wert haben:
Kerne mit I > 0 haben auch einen magnetischen Dipol μ (Spinladung). Für das NMR-Experiment ist das Verhältnis von μ zu P ausschlaggebend (ähnlich wie bei der Massenspektrometrie das Verhältnis m/e ausschlaggebend ist). Wir definieren γ, das gyromagnetische Verhältnis:
Wechselwirkung der Kerne mit einem Magnetfeld
Wird ein Kern mit einem definierten Spin in ein Magnetfeld platziert, neigen die Kerne dazu, sich nach dem Feld auszurichten. Die beobachtbare Komponente des Drehimpulses Pz ist ebenfalls quantisiert und kann nur die folgenden Werte annehmen.
Fakt aus der Quantenmechanik:
Quantenbeschränkungen (Quanten-Restriktionen) verhindern, dass sich die Kerne exakt nach Bo ausrichten, da sowohl der Drehimpuls (P) als auch die beobachtbare Komponente (Pz) quantisiert sind. Für Kerne mit Spin ½ ergibt sich ein Spitzenwinkel von 54,7°.
Die Kerne präzessieren um die Richtung Bo mit einer Frequenz νo (Larmor-Präzessions-frequenz).Präzession des Drehimpulses eines Teilchens mit magnetischem Dipolmoment um die Richtung eines äußeren Magnetfelds.
Die Frequenz ist eine Funktion der magnetischen Feldstärke (Bo), des Drehimpulses und des magnetischen Dipols (Gyromagnetisches Verhältnis γ).
Wechselwirkung mit Hochfrequenz (Radiostrahlung)
Eine in x-Richtung angelegte Hochfrequenz (mit der Larmor-Präzessionsfrequenz ν0) bewirkt Übergänge zwischen den Spinzuständen, wenn νRF = νo. Diese Übergänge werden vom Spektrometer erfasst und als NMR-Spektrum aufgezeichnet.