NMR: 핵 자가공명 (Nuclear magnetic resonance)
유기 분자의 탄소-수소 골격에 관한 지표를 활용하여 매우 복잡한 분자에 대한 구조 결정이 가능하다.
많은 원자 핵들은 축을 중심으로 회전하는 것처럼 행동한다. 핵들은 양전하를 지니고 있어 회전하는 핵은
작은 자석과 같아 Bo 로 표시되는 외부 자기장과 상호작용하게 된다.
양성자 1H와 12C 핵은 모두 스핀을 갖는다. 그러나 더 일반적인 12C 동위원소는 핵 스핀이 존재하지 않는다.
아래와 그림과 같이 강한 외부 자기장이 없다면 자기성을 가지는 핵의 스핀은 무작위적으로 배향한다. 이와 같은 핵의 시료를 강한 자석의 극 사이에 두게되면, 핵들은 특정한 배향을 가지고 배열되게 된다.
회전하는 1H, 13C 핵의 작은 자기장은 외부 자기장에 대해 같은 방향(평행)으로 배향하거나 반대 방향(역평행)으로 배향된다. 이 두 배향은 같은 에너지 상태가 아니므로 같은 양으로 존재하지 않으며, 평행 배향은 외부 자기장의 세기와 비례하여 약간 낮은 에너지를 가지며 이 스핀 상태가 역평행 배향보다 약간 더 우세하다.
일정 이상 진동수의 전자기 복사선이 배향된 핵들에 조사되면, 에너지 흡수가 일어나고 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 spin-flip 이 일어나게 된다.
이 spin-flip이 일어날 때 핵은 에너지를 가해준 복사선과 공명을 이루며 이로 인해
핵 자기 공명(nuclear magnetic resonance) 라는 명명이 생겼다.
공명에 필요한 정확한 주파수는 여러가지 영향을 받아 변형되는데,
1. 외부 자기장의 세기
2. 핵의 종류 (C, B, O 등등)
3. 핵의 전자환경( 파장대) 정도가 존재한다.
자기장이 매우 강한 곳에서는 두 스핀 상태 사이의 에너지 차이가 큼으로 spin-flip을 하기 위해 더 높은 진동수(에너지)의 복사선을 필요로 한다.
그와 반대로 자기장이 약한 곳에서는 그만큼 작은 에너지가 쓰이게 된다.
Larmor 식은 핵의 공명 진동수를 자기장과 동위원소의 각 운동량과 자기 모멘트의 비율인
자기회전 비율(magnetogyric ratio)과 관련되어 있다. 식은 아래와 같다.
아래 그림과 같이 핵 스핀 상태 사이에 에너지 차이는 외부 자기장의 세기에 비례한다. 진동수 v의 에너지의 흡수에 의해
핵은 낮은 스핀 상태에서 높은 스핀 상태로 전이한다.
스핀 상태 a에서는 외부 자기장이 없어 같은 에너지를 갖지만, b에서는 외부 자기장에 의해 서로 다른 에너지를 갖는다.
표시가 되지 않았으나 c로 일컫는 맨 우측 에서는 외부 자기장이 더 커져 스핀 상태 사이의 에너지 차이는 더 커진다.
즉, 자기장이 강할수록 강한 hv가 필요하다는 것을 의미한다.