Kuvvetli bir magnetik alan bazı çekirdeklerin enerjilerini,
bunların magnetik özelliklerine göre, iki veya daha fazla kuvantize seviyeye
ayırır. Böylece, yaratılan magnetik enerji seviyeleri arasında uygun
frekanslardaki elektromagnetik ışının absorbsiyonu ile geçişler olur. Bu durum
ayni ultraviyole veya görünür ışının absorbsiyonuyla meydana gelen elektronik
geçişlere de benzer. Atomik çekirdekler için magnetik kuvantum seviyeleri arasındaki
enerji farkları, 0,1-100 MHz (1MHz=106 devir/saniye) veya 3000-3 m
dalga boyu frekans aralığındaki ışın enerjilerine eşittir. Bu frekans aralığı
elektromagnetik spektrumun radyodalgaları bölgesini kapsar.
1924 yılında Pauli, bazı atomik çekirdeklerin spin ve
magnetik moment özelliklerine sahip olduklarını ve bu nedenle de bir magnetik
alanın etkisinde bırakıldıklarında enerji seviyelerine ayrılacakları açıkladı.
·
1946: Bloch ve Purcell, kuvvetli bir magnetik
alandaki çekirdeklerin, magnetik alanın tesiriyle enerji seviyelerine ayrılarak
elektromagnetik ışın absorbladıklarını kanıtladılar.
·
1952: Bloch ve Purcell (fizikçi) Nobel ödülünü
paylaştılar.
·
1966: Ernst ve Anderson, NMR’a Fourier Transform
tekniğini uyguladılar.
·
1960 sonları: Waugh. Ve arkadaşları katı hal NMR
çalışmaları sonucunda NMR görüntü yöntemini geliştirdiler.
·
1970: 2D NMR devreye alındı.
·
1980: Çözeltilerde NMR ile makromoleküler yapı
tayinleri yapılmaya başlandı.
·
1991: Richard Ernst kimya dalında Nobel ödülünü
aldı.
·
2002: Kurt Wuthrich kimya dalında Nobel ödülünü
aldı.
NMR olayı optik spektroskopisi ile yakından ilişkili olup,
hem klasik ve hem de kuvantum mekaniği ile açıklanır. Kuvantum mekaniği
molekülün enerji halleri ile absorbsiyon frekansları arasındaki ilişkiyi,
klasik mekanik absorbsiyon işleminin fiziksel mekanizmasını açıklayarak ölçümün
yapılış şeklini aydınlatır.
NMR, bir atomik çekirdeğin magnetik momentinin (m) bir dış magnetik alanla (B0)
etkileşiminden meydana gelen magnetik rezonansın izlenmesinde radyo dalgalarının
kullanıldığı bir spektroskopik tekniktir.
Kuvantum mekaniği yönünden tek kütle veya tek atomik
numaralı bir çekirdeğin “nükleer spin”i vardır. Çekirdeğin her spini farklıdır;
bu durum, NMR deneylerinin, özel bir elementin sadece özel bir izotopu için hassas
olması sonucunu yaratır.
1H veya 13C gibi dönen bir yük
(spinning charge) bir magnetik alan yaratır. Spini +1/2 olan bir çekirdeğin
yarattığı magnetik alanın yönü, spini -1/2 olan çekirdeğin yarattığının ters
yönündedir (Şekil-a). Nükleer spinler bir magnetik alana (B0) konulduğunda
enerji hallerine uygun olarak yönlenirler; yönlenmelerindeki etkiye Zeeman
Etkisi denir.
Bir dış magnetik alan bulunmadığı zaman nükleer spinlerin
dağılımı rastgeledir (Şekil-b). Bir dış
alan, uygulanan alana paralel ve antiparalel nükleer magnetik momentler
oluşmasını sağlar (Şekil-c). Uygulanan alana paralel olan yerleşimlerin
(Şekilde 1, 2, 3, 4) magnetik momentleri biraz daha yüksektir.
Taneciğin spinine bağlı açısal momentin h/2p ile çarpımının bir bütün veya bütünün
yarısı olduğu kabul edilir (h planck sabitidir). Bir çekirdek taneciğinin maksimum
spin bileşeni "spin kuvantum sayısı, I"dır; bu durumda bir çekirdeğin
(2I + 1) hali vardır. Bu hallere ait açısal momentum bileşeni, seçilen herhangi
bir yönde, I, I –1, I – 2, ..., -I değerlerinde olacaktır. Bir dış alan
bulunmaması durumunda çeşitli hallerin enerjileri birbirine eşittir.
Bir protonun spin sayısı 1/2 dir; böylece I = +1/2 ve I =
-1/2 olmak üzere iki spin hali bulunur. Ağır çekirdekler çeşitli elementer
taneciklerin biraraya gelmesiyle oluştuğundan spin numaraları sıfırdan, en az
9/2 ye kadar değişebilir. Bir çekirdeğin spin numarası, içerdiği protonların ve
nötronların relatif sayısına bağlıdır.
Çeşitli Çekirdeklerin Spin Kuvantum Sayısı
Bir çekirdeğin spini taşıdığı yük nedeniyle, bir magnetik
alan meydana getirir. Bu durum tel bir sarımından elektrik aktığında bir
elektrik alanının oluşmasına benzer. Oluşan magnetik dipol (M) spin ekseni
boyunca yönlenir ve değeri her bir çekirdek için özeldir. Tanecik spini ve
magnetik moment arasındaki ilişki, gözlenebilen bir seri magnetik kuvantum hali
oluşturur, ve aşağıdaki şekilde gösterilir.
m = I, I -1, I - 2, ..., - I
Bir
Magnetik Alandaki Enerji Seviyeleri
Bir dış magnetik alanın etkisinde bırakıldığında, magnetik
momente sahip olan bir tanecik, magnetik dipolü ve dolayısıyla spin ekseni,
alana paralel olacak şekilde yönlenir. DE
= hn olacak şekilde bir dış enerji
kaynağı (düşük radyo frekansı) uygulandığında çekirdek tarafından absorblanır
ve çekirdeğin spini ters yöne (spin flip) döner: yani, NMR’ı iki değişken
karakterize eder; uygulanan magnetik alanın şiddeti (B0) ve rezonans
için gerekli olan ışının frekansı (n).
Taneciğin davranışı, böyle bir alana konulan küçük bir
magnetik çubuğun davranışına benzer. Her ikisinin de potansiyel enerjisi
dipolün alana göre olan yönlenmesine bağlıdır. Magnetik çubuğun enerjisi
konumuna göre sonsuz bir sayı olabilir; tersine çekirdeğin konumu (2I+1)
durumla sınırlandırıldığından, enerjisi de ancak (2I+1) sayıda olabilir.
Kuvantize olsun veya olmasın bir alan içindeki bir magnetin potansiyel enerjisi
aşağıdaki eşitlikle verilir.
E = - mz B0
mz , magnetik
momentin, kuvveti B0 olan bir dış alan yönündeki "bileşeni"
dir.
Çekirdeklerin kuvantum özelliği, olası enerji seviyeleri
sayısını birkaç tane ile sınırlar. Böylece, spin sayısı I ve magnetik kuvantum
sayısı m olan bir tanecik için bir kuvantum seviyesinin enerjisi,
Proton için I = 1/2 dir, bu taneciğin magnetik kuvantum
sayıları +1/2 ve -1/2 dir. Bu hallerin bir magnetik alandaki enerjileri:
Bu iki kuvantum enerjisi, spin ekseninin magnetik alana göre
iki şekilde yönlenmesini sağlar; aşağıdaki Şekil(a)’da görüldüğü gibi, düşük
enerji hali (m = 1/2) için magnetik momentin vektörü alanla ayni yönde, yüksek
enerji hali (m =-1/2) içinse alanla zıt yöndedir. İki seviye arasındaki enerji
farkı,
DE=
2 m b B0
denklemiyle verilir.
14N gibi spin numarası 1 olan bir çekirdeğin
yönlenmeleri ve enerji seviyeleri Şekil (b)’de gösterildiği gibidir. Burada, üç
enerji seviyesi (m=1, 0, ve -1) vardır, ve her birinin arasındaki enerji farkı m b B0’a eşittir. Enerji farkları
aşağıdaki eşitlikle verilir.
Diğer kuvantum hallerinde olduğu gibi, daha yüksek bir
nükleer magnetik kuvantum seviyesine uyarma için bir fotonun DE'ye eşit miktarda hn enerjisi absorblaması gerekir.
Bir magnetik alan bulunmaması durumunda kuvantum hallerinin
enerjileri birbirine eşittir. Bunun sonucu olarak da büyük bir proton
topluluğunda m = +1/2 ve m = -1/2 olacak
şekilde eşit sayıda çekirdek bulunur. Çekirdekler bir magnetik alana
konulduğunda, düşük enerji hali (m = +1/2) baskın olacak şekilde, yönlenme eğilimi
gösterirler. Oda sıcaklıklarındaki ısıl enerjileri, bu magnetik enerji
büyüklüğü farklarının birkaç derecesi kadar fazla olduğundan, ısıl dalgalanma
magnetik etkilerin kaybolmasına ve düşük enerji halinde sadece çok az miktarda
(ppm) çekirdek kalmasına yol açar. İki haldeki protonların sayısı eşit ise,
ışının absorblanma olasılığı, daha yüksek enerji halinden daha düşük enerji
haline geçen taneciklerin yaptığı emisyon olasılığına eşittir; bu koşullarda
net absorbsiyon sıfır olur.
Absorbsiyon olayını anlamada ve ölçmede, yüklü bir taneciğin
bir magnetik alandaki davranışının klasik yorumu çok önemlidir.
Önce bir kompas iğnesi gibi, dönmeyen bir magnetik bedenin,
bir dış magnetik alandaki davranışını inceleyelim. Alanın konumundaki ani bir
değişiklik, iğnenin iki ucu üzerinde kuvvet oluşmasına ve böylece iğnenin kendi
eksen düzleminde sallanmasına neden olur; sürtünme yoksa iğnenin uçları alan
ekseninde süresiz olarak ileri-geri salınmaya devam eder.
Magnet eğer kendi güney-kuzey ekseni etrafında hızla dönerse
meydana gelen presesyon oldukça farklıdır. Bu durumda griyoskopik (topaç) etki
nedeniyle, alanın dönme eksenine uyguladığı kuvvet, presesyonun kuvvet
düzleminde değil, buna dik bir düzlemde olmasına yol açar; dönen taneciğin
ekseni böylece magnetik alanın etrafında dairesel bir yol izler. Bu presesyon,
bir kuvvet uygulanarak dikey konumundan saptırılan bir topacın hareketine
benzer (Şekil).
Klasik mekaniğe göre presesyonun açısal hızı uygulanan
kuvvetle doğru, dönen bedenin (ki buna kuvvet uygulanmıştır) açısal momenti ile
ters orantılıdır. Bir magnetik alan içinde dönen tanecik üzerindeki kuvvet,
alan kuvveti B0 ile taneciğin magnetik momenti mb nın çarpımına, yani m b B0 ‘a eşittir; açısal moment
de I(h/2p)dir; presesyon hızı w0,
aşağıdaki denklemle verilir. Buradaki g ya
"magnetogrik oran" (veya, giromagnetik) denir.
Magnetogrik oran, dönen bir taneciğin magnetik momenti ve
açısal momentumu arasındaki ilişkiyi gösterir.
Magnetogrik oran her çekirdek için özel bir değerdir. Presesyon
frekansına (n0) "Larmor
frekansı" denir.
eşitliği ile kıyaslandığında, klasik mekanikten çıkarılan
tanecik presesyon frekansının, dönen bir taneciğin bir spin halinden bir
diğerine geçişi için gerekli radyant enerjiye veya kuvantum mekaniği frekansına
eşit olduğu görülür; yani,
Absorbsiyon
İşlemi
Bir magnetik alanda dönen hareketli taneciğin potansiyel enerjisi E,
denklemiyle verilir. Buna göre, radyo-frekanslı enerji
absorblayan bir çekirdeğin presesyon açısı değişmelidir. Bu tarife göre
absorbsiyon işlemi, alan yönünde düzenlenmiş magnetik momenti, momentin zıt
yönde olduğu bir hale sıçratmak şeklinde tarif edilebilir. (İşlem şekilde
şematik olarak gösterilmiştir.)
Hareketli
bir tanecik tarafından ışın absorbsiyonu modeli
Dipolü sıçratmak için, sabit alana doğru açıda uygulanan bir magnetik kuvvete ve presesyon dipol ile ayni fazda bulunan dairesel bir bileşene gereksinim vardır. Uygun bir frekanstaki dairesel polarize ışın bu özellikleri içerir; magnetik vektöründe, şekildeki noktalı çizimde görüldüğü gibi, dairesel bileşen vardır. Işının magnetik vektörünün dönme frekansı presesyon frekansı ile ayni ise, absorbsiyon ve sıçratma olayı meydana gelir. İşlem geri dönüşümlüdür ve uyarılmış tanecik tekrar ışın çıkararak temel hale döner.
xy
düzleminde polarize olmuş bir demetin dairesel bileşeninin absorbsiyonu
Düzlem polarize ışın zıt yönlerde dönen iki dairesel
polarize demetten oluşur; bunlardan biri düzlem içinde, diğeri ise doğrusal
polarizasyon düzlemine dik bir düzlem içinde bulunurlar. Böylece nükleer
taneciklerin, sabit magnetik alan yönüne 900 lik bir açı ile
polarize edilmiş bir demet ile ışınlandırılması halinde dairesel polarize ışın,
absorbsiyonun oluşacağı düzleme girer. Demetin, presesyon yönünü döndüren,
sadece bu yarısı absorblanır; diğer yarısı faz dışına çıkar, örnekten
değişmemiş olarak geçer.
Üst enerji seviyesinde veya uyarılmış spin halinde bulunan
bir çekirdeğin kendi düşük enerjili haline dönme mekanizmasını inceleyelim.
Bir magnetik alana konulan çekirdeklerin tümü magnetik
alanla ayni yönde yönlenmezler; Larmor frekansı denilen karakteristik bir
frekansta kendi eksenleri etrafında bir gyroskop gibi dönerler (presesyon). Bu
presesyon genellikle faz dışındadır ve sonuçta, XY düzleminde magnetik vektör
yoktur.
Net nükleer magnetizasyon (M), z ekseni boyunca statistik
olarak yönlenir.
M = Mz Mxy = 0
Bir elektromagnetik puls (radyo frekansı) uygulandığında
başlangıçtaki rastgele spin-yukarı ve spin-aşağı dağılım bozulur, spinler faz
içine girerler. 900 bir puls uygulanıyorsa sonuçta yukarı ve aşağı
doğru yönlenen spinlerin sayısı eşitlenir ve ayni yöne yönlenirler; faz uyumu
sonucunda magnetizasyon vektörü, XY düzlemine transfer olur. Böylece, XY
düzleminde Mxy bileşeni meydana gelir.
Mxy = M sina
a eğilme açısıdır; elektromagnetik ışının gücü ve ışınlandırma süresine bağlıdır.
İzlenmesi gereken yol haller arasındaki enerji farkına
eşdeğer miktardaki frekansta bir ışın emisyonunun oluşmasıdır. Ancak ışın
teorisine göre böyle bir emisyonun gerçekleşme olasılığı oldukça zayıftır; bu
nedenle de yüksek spin halindeki çekirdeğin enerji kaybederek, ışımasız bir yol
izlediği varsayılır.
Işınlandırma kesildikten sonra oluşan haller topluluğu,
Boltzmann dağılımına uygun olarak eski durumuna dönerler; ayrıca her bir
nükleer magnetik moment faz uyumluluk özelliğini kaybetmeye başlar ve z ekseni
boyunca tekrar rastgele düzenlenme meydana gelir. Bu prosese “relaksasyon
işlemi” denilmektedir.
Relaksasyon işlemlerinin hızları bir NMR sinyalinin yapısını
ve kalitesini etkiler. Bu hızlar örneğin fiziksel durumuna bağlı olduğundan,
çoğu zaman kontrol altında tutulur.
Kararlı bir NMR sinyalinin gözlenebilmesi relaksasyon
işlemlerine bağlıdır. Böyle bir sinyalin alınabilmesi, kuvvetli bir magnetik
alandaki çekirdeklerden düşük enerjili olanların birkaç ppm kadar fazlasının
bulunmasını gerektirir. Absorbsiyon olayı bu fazlalığı yok edeceğinden, bazı
ışımasız enerji-transferi işlemleri ile yeterli bir hızla, yeni düşük enerjili
tanecikler üretilmezse, sinyal hızla sıfıra düşer. Relaksasyon işlemleri,
magnetik alana konulan örnekten çok az miktarda düşük enerjili tanecikler
üretilmesini de sağlamalıdır.
Tam olarak saptanabilen bir absorbsiyon sinyalinin
alınabilmesi için relaksasyon işleminin çok hızlı olması gerekir; bu, uyarılmış
halin yaşam süresinin çok kısa olması demektir. Oysa, uyarılmış halin yaşam
süresi ve onun absorbsiyon hattının genişliği arasında ters bir orantı vardır,
bu durum yaşam sürecinin çok kısa olmasından kaynaklanan avantajı yok eder.
Böylece, yüksek relaksasyon hızlarında, veya düşük yaşam süreçlerinde, hatlarda
genişlemeler gözlenir, bu durum ise yüksek- rezolusyonlu ölçmeleri engeller. Bu
iki zıt faktör, uyarılmış bir tanecik için optimum bir yaşam süreci bulunması
gereğini yaratır, bu süreç 0.1-1 saniye aralığındadır.
İki tip çekirdek relaksasyon işlemi vardır. Bunlardan biri
"boylamasına" veya "spin-doku" relaksasyonu, diğeri
"enlemesine" veya "spin-spin" relaksasyonudur.
T1 Relaksasyon (Longitudinal): Spin-yukarı
ve spin-aşağı hallerin denge haline geri dönmesi olayıdır; etkisi, sonuç
magnetizasyon vektörünün z yönündeki konumuna dönmesidir; geri dönüş, orijinal
değerin %63 kadarıdır.
Bir NMR deneyindeki absorblayıcı çekirdekler, örneği
oluşturan çok sayıdaki atomlar topluluğunun sadece bir bölümüdür. Tüm atomlar
topluluğuna, örneğin katı, sıvı, veya gaz olmasına bakılmaksızın, doku denir.
Özellikle sıvı ve gaz örneklerde, doku şiddetli titreşim ve dönme hareketleri
içindedir, ve bu durum her magnetik çekirdek için karmaşık bir alan oluşmasına
neden olur. Böylece oluşan toplam doku alanı sonsuz sayıda magnetik bileşen
içerir. Bu bileşenlerden bazıları, absorblayıcı çekirdeklerle ayni hareket
frekansı ve fazındadır. Bunlar absorblayıcı çekirdeklerle etkileşerek onları
yüksek spin halinden düşük spin haline dönüştürürler; böylece absorblanan
enerji ısıl titreşim veya dönme değerini bir miktar artırır. Bu değişiklikle
örneğin sıcaklığı çok az miktarda yükselir.
Spin-doku relaksasyonu, yüksek enerji halindeki
çekirdeklerin ortalama yaşam sürecini gösteren T1 zamanına bağımlı
olan 1. dereceden bir işlemdir.
T1, absorblayıcı çekirdeklerin magnetogrik
oranına bağlıdır ve ayrıca dokunun hareketliğinden de kuvvetle etkilenir.
Hareketliğin az olduğu kristal halindeki katı maddelerde ve viskoz sıvılarda T1
büyüktür. Hareketlilik arttıkça (yüksek sıcaklık gibi) titreşim ve dönme
frekansları da artar ve böylece bir relaksasyon geçişi için gerekli
büyüklükteki bir magnetik düzensizliğin bulunma olasılığı fazlaşır; sonuçta T1
küçük bir değer olur. Çok yüksek hareketliliklerde ise düzensizlik frekansları
daha fazla yükselir ve geniş bir aralığa yayılarak bir spin-doku geçişi için
gerekli bir frekansın bulunabilme olasılığının düşmesine neden olur. Sonuçta T1
ve doku hareketliliği ilişkisi bir minimumdan geçer.
Spin-doku relaksasyon süresi çiftleşmemiş bir elektron
bulunması durumunda çok kısalır. Çünkü bu tek elektronun spini, kuvvetli
düzensiz magnetik alanların oluşmasına yol açar. Benzer bir durumu spin
sayıları yarımdan daha büyük olan tanecikler yaratır. Bu taneciklerin yük
dağılımları simetrik değildir; dönmeleriyle de kuvvetli bir düzensiz alan
oluştururlar. Bu alanla uyarılmış taneciklerin enerjilerini dokuya transfer
edebilecekleri yeni bir hareket yolu çizilir. Bu tip taneciklerin bulunmasıyla
T1 in önemli derecede kısalması hat genişlemesine sebep olur. Bir
azot atomuna bağlanmış protonun NMR spektrumu örnek olarak gösterilebilir.
Relaksasyon zamanını düşürerek NMR hatlarının genişlemesine
neden olan diğer bir kaç etken daha vardır. Bu etkenler normal olarak, birarada
bulunurlar ve bir spin-spin relaksasyon zamanı (T2) ile tarif
edilirler. Kristalin katılar ve viskoz sıvılar (10-4 s) için T2
değeri, bu tip örneklerin yüksek rezolusyon spektralarının alınmasına olanak
vermeyecek kadar küçüktür.
T2 Relaksasyon (Transvers): Hızlı
relaksasyon şeklidir; spinler faz dışına çıkarlar; XY düzlemindeki sonuç
magnetizasyon vektörü, orijinal değerin %37’si gibi bir değere düşer. T2
≤ T1
Hareket hızları ayni, fakat magnetik kuvantum halleri farklı
olan ayni cins komşu iki çekirdeğin magnetik alanları birbirine etki ederek
hallerin değişmesine sebep olurlar. Yani, uyarılmış çekirdek daha düşük enerji
haline geçerken, düşük spin halindeki çekirdek uyarılır. Sonuçta farklı spin
hallerindeki çekirdeklerin sayısında bir değişiklik olmaz, ancak uyarılan özel
bir taneciğin ortalama yaşam süresi kısalır, dolaysıyla hat genişlemesi olur.
Hat genişlemesine neden olan iki etken daha vardır. Bunların
ikisi de,
eşitliğindeki B0 değerinin, her çekirdek için az
miktarda da olsa farklı hale getirilmesinden ileri gelir; bu durumda tek bir
frekans yerine, bir frekanslar bandı absorblanır.
Statik alanı değiştiren etkenlerden biri, örnekte, spinleri
lokal alanlar yaratarak analiz edilen çekirdeğe etki eden dış alanı artıran
veya azaltan diğer magnetik çekirdeklerin bulunmasıdır. Hareketli bir dokuda bu
lokal alanlar birbirini yok eder, çünkü bu alanları yaratan çekirdekler çok
hızlıdır ve rasgele hareket ederler. Çekirdeğin faz uyumunu kaybedip z ekseni
etrafında rastgele düzenlenmesine dönmesi spin-spin relaksasyon işlemidir. Mxy
‘nin parçalanması, spin-spin relaksasyon zamanı T2 tarafından kontrol
edilen bir hızla gerçekleşir.
Katı veya viskoz bir sıvıda ise lokal alanlar varlıklarını
korurlar ve bir alan kuvvetleri aralığı, dolayısıyla da absorbsiyon frekansları
aralığı oluştururlar.
Statik alanı değiştiren bir diğer etken de alan kaynağının
kendisindeki küçük homojensizliklerdir. Bu etki, magnetik alandaki örneğin
tümünün hızla döndürülmesiyle büyük ölçüde giderilebilir.
Tüm absorbsiyon spektroskopik ölçmeler, absorblayıcı bir
örneğin neden olduğu ışın gücündeki azalmanın, yani zayıflamanın (attenuasyon)
saptanması işlemidir. NMR spektroskopide ise absorblayıcı taneciklerin sayısı
çok azdır ve sonuçtaki zayıflama değerinin doğru olarak ölçülmesi oldukça
zordur. Bu nedenle NMR spektrometreler, pozitif absorbsiyon sonucunda oluşan
sinyalin büyüklüğünü ölçer.
Aşağıdaki Şekil(b), bir NMR spektrometrenin başlıca
bileşenlerini göstermektedir. Işın kaynağı bir radyo-frekansı osilatör
devresinin parçası olan bir sarımdır. Böyle bir sarımdan gelen elektromagnetik
ışın düzlem-polarize (Şekildeki xz düzleminde) bir ışındır. Dedektör, kaynağa
göre dik açıda yerleştirilmiş (Şekilde y ekseni üzerinde) ikinci bir sarımdır
ve bir radyo-alıcı devrenin parçasıdır. NMR çalışmalarında kullanılan magnetik
alanın yönü z ekseni doğrultusundadır, kaynak ve dedektöre göre diktir.
NMR’da absorbsiyon
sinyali
Şekil(c)'de görüldüğü gibi, düzlem-polarize ışın birbirine
zıt yönlerde dönen iki dairesel polarize vektöre ayrılır (xy düzleminde). Bu
bileşenlerin vektöriyel toplamları açısal konumlarına bağlı olmaksızın, y
ekseni boyunca net bir sinyal vermez. Böylece, y eksenindeki bir dedektör ile
hiç bir sinyal alınamaz.
Şekil(b) ve (d), örneğin üç eksenin kesiştiği noktaya
(orijine) yerleştirilmesinin etkisini göstermektedir. Kaynağın frekansı,
örnekteki özel bir tip çekirdeğin absorblayabileceği bir seviyede ise, ışının
iki dairesel bileşeninden birinin gücü azalır. Sonuçtaki bileşenlerin
vektöriyel toplamları, ışının bu durumda y ekseni yönünde, değişken bir
bileşene sahip olduğunu gösterir, dedektör bu bileşeni algılar. Böylece örnek,
jeneratörü alıcıya bağlayarak magnetik alandaki çekirdeklerin hareket frekansına
uygun frekansta ışın verilmesini sağlar.
Bağlantının büyüklüğü (veya kapsamı), ve buna göre de
sinyalin kuvveti absorblayıcı çekirdeklerin sayısına bağlanır.
NMR spektra iki şekilde elde edilir.
Birincisi, optik spektra elde etmekte kullanılan yönteme
benzer; bunda elektromagnetik frekansın değişmesiyle alınan absorbsiyon sinyali
ölçülür. Radyo frekansları doğrusal taramalı değişken-frekanslı bir osilatörden
alınır; frekanslar hidrojen için 1 kHz ve 13C ve 19F için
10 kHz seviyesindedir.
NMR spektrasının diğer elde edilme yönteminde
sabit-frekanslı bir radyo osilatörü ve sürekli taramalı magnetik alan (B0)
kullanılır. İncelenen bir çekirdek için frekans ve alan kuvveti birbiriyle
doğru orantılı olduğundan, bir absorbsiyon spektrumunda B0 apsis fonksiyonundadır.
İlk üretilen ticari NMR cihazlarında, spektrada alan tarama
yöntemi kullanılmıştır. Magnetik alanda doğrusal bir değişimin uygulandığı bu
yöntemde kullanılan elektronik cihaz, doğrusal taramalı bir osilatöre göre, hem
çok basit ve hem de daha ucuzdur. Doğrusal taramalı osilatör yöntemi ise çok
iyi spin-ayırma spektrası verir. Bu etkenler dikkate alınarak günümüz NMR
cihazlarında frekans taraması sistemi tercih edilir; bazılarında her iki tarama
şekli de bulunur.
NMR çalışmalarında kullanılan bazı çekirdeklerin spektral
verileri aşağıdaki tabloda toplanmıştır.
Tablo: Bazı Çekirdeklerin Spektral ve
Magnetik Özellikleri
Magnetik Özellikleri