02-02 Las propiedades magnéticas del núcleo

El ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ²³Na, y el ³¹P están los núcleos atómicos más interesantes para la re­so­nan­cia magnética. To­dos ellos se producen de forma natural en el cuerpo. Todos tienen también propiedades magnéticas que los distinguen de los isó­to­pos no magnéticos.

Núcleos como ¹²C y ¹⁶O, que tienen el mismo número de protones y neu­tro­nes, no producen señales de resonancia magnética.

El átomo de hi­dró­ge­no (el proton – ¹H) es el más frecuentemente utilizado de­bi­do a que los dos componentes principales del cuerpo humano (agua y gra­sa) contienen hi­dró­ge­no. El núcleo consta de un solo protón de carga positiva que gira alrededor de su eje. Las partículas cargadas que giran sobre si mismas cre­an un campo elec­tro­mag­né­ti­co equivalente al que nace de un imán con­ven­ci­onal (Figura 02-02).

Figura 02-02: Una partícula cargada girando sobre si mis­ma posee un momento magnético μ ca­rac­te­rís­ti­co y puede describirse como un dipolo magnético que crea un campo mag­né­ti­co similar al de un imán de barra. (N = norte, S = sur).

Cuando los núcleos atómicos con propiedades magnéticas se colocan en un campo mag­né­ti­co pueden absorber algunas ondas electromagnéticas con fre­cu­en­cias ca­rac­te­rís­ti­cas. La frecuencia exacta depende del tipo de núcleo, la in­ten­si­dad de campo y el entorno físico-químico del núcleo (Figura 02-03).

Figura 02-03: Los núcleos serán capaces de absorber ondas electromagnéticas (ondas de radio) tanto en el campo magnético fuerte como en el débil. Sin embargo, la absorción se produce a una frecuencia que depende de la fuerza del campo, que es mayor en el campo magnético fuerte que en el débil.

La absorción y la reemisión de estas ondas es el fenómeno básico en el que se basan la IRM y la espectroscopía de RM. Para entender el fenómeno de re­so­nan­cia magnética po­de­mos utilizar dos paralelismos simples con fenómenos macroscópicos:

En primer lugar vamos a observar el comportamiento de una pequeña aguja mag­né­ti­ca colocada en un campo magnético (Figura 02-04). Si la aguja es capaz de girar li­bre­men­te ésta se orienta con respecto al campo de tal manera que se alcanza una situación de equilibrio. Este equilibrio se puede mantener in­de­fi­ni­da­men­te si no hay fuerzas ex­ter­nas que influyan en el sistema.

Figura 02-04: Una aguja colocada en un campo mag­né­ti­co buscará un estado de equilibrio estable. (a) Al girar la aguja con un dedo, se le in­tro­du­ce energía y estará en una posición in­esta­ble rica en energía. (b) Tan pronto el dedo se retire, la aguja vol­ve­rá a su estado estable.

Un segundo ejemplo ilustra la influencia de la tensión externa sobre la fre­cu­en­cia de la onda absorbida o reemitida por el sistema: imagínese tres cuerdas de guitarra idénticas expuestas a tensiones diferentes: la superior no tiene tensión alguna, la del centro tiene tensión débil y la inferior tiene alta tensión. Si se ex­ci­tan las cuerdas la vibración re­sul­tan­te es dependiente de la tensión de las cu­er­das (Figura 02-05).

Figura 02-05: Una cuerda (núcleo) no puede vibrar sin ser expuesta a tensión (campo magnético externo). Cuanto más alta es la tensión, ma­yor es la frecuencia de vibración.

En ambos ejemplos, se han hecho comparaciones entre un sistema nuclear ma­cro­scó­pi­co y microscópico. En el primer ejemplo hemos comparado los núc­le­os atómicos con pequeñas agujas magnéticas y en el segundo con cuerdas de gui­tarra.

Dichos paralelismos proporcionan una imagen mental de los fe­nó­me­nos pero tienen sus inconvenientes. Una de las limitaciones de estos modelos es que to­dos los fe­nó­me­nos físicos a escala molecular son de tipo cuántico. Por ejemplo, mi­en­tras la aguja mag­né­ti­ca podría situarse en una infinidad de orientaciones di­fe­ren­tes, no existen suaves transiciones continuas entre el estado de equilibrio y el estado inestable rico en energía en el caso del núcleo magnético; la mecánica cu­án­ti­ca predice que sólo son posibles los saltos entre estos dos estados de los núc­le­os con un giro ½ de sus protones (Figura 02- 06).

Figura 02-06: Niveles de energía del espín nuclear. (a) Protones fuera de un campo mag­né­ti­co y (b) protones dentro de un campo mag­né­ti­co. En presencia de un campo magnético, los núcleos poblarán dos niveles de energía dis­tin­tos. La separación entre estos niveles aumenta linealmente con la fuerza del cam­po mag­né­ti­co, así como también la diferencia de población.

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En equilibrio observamos una población ligeramente mayor en el nivel de en­er­gía más bajo, produciéndose así magnetización. Para observar esta di­fe­ren­cia de población te­ne­mos que transmitir una cantidad de energía igual a ΔE (la di­fe­ren­cia de energía entre los dos niveles).