Kernmagnetische Resonanz

Kernmagnetische Resonanz, spektroskopische Analysemethode, nach dem englischen Begriff nuclear magnetic resonance auch im Deutschen üblicherweise mit NMR abgekürzt – vollständigerweise auch NMR-Spektroskopie. Bei der NMR-Spektroskopie handelt es sich um eine in den fünfziger Jahren von Felix Bloch und Edward Mills Purcell unabhängig voneinander entwickelte Methode zur spektroskopischen Untersuchung von verschiedenen Materialien – insbesondere auch zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen. Beide Wissenschaftler erhielten gemeinsam für ihre Arbeiten 1952 den Nobelpreis für Physik.

Auf Grund des Eigendrehimpulses von Atomkernen (Kernspin; siehe Spin) bildet sich innerhalb eines Teilchens oder Moleküls ein magnetisches Moment aus. Jeder Atomkern innerhalb des zu untersuchenden Materials bzw. der Materialprobe beeinflusst dabei mit seinem einzelnen magnetischen Moment die jeweiligen Momente seiner Nachbarkerne – und dies in ganz bestimmter Weise.

In einem konstanten, äußeren Magnetfeld haben die magnetischen Momente und die Spins der Kerne unterschiedliche Einstellmöglichkeiten. Diese Orientierungen sind richtungsgequantelt, d. h., es sind nur bestimmte Ausrichtungen der Spinachse und des magnetischen Moments erlaubt. Die energetischen Werte für diese Orientierungen werden durch die Kernspinquantenzahl bestimmt. Die am häufigsten untersuchten Kerne haben die Kernspinquantenzahl ½ (z. B. ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P). Bei dieser Kernspinquantenzahl gibt es genau zwei energetische Einstellungsmöglichkeiten für Spin und magnetisches Moment: parallel zum äußeren Magnetfeld und antiparallel dazu.

Bei der NMR-Spektroskopie erzwingt man zunächst eine Einstellung (z. B. parallel) mit Hilfe des äußeren Magnetfeldes. Anschließend versucht man die genau entgegengesetzte Einstellung (in diesem Fall antiparallel) zu erreichen. Der Übergang von einer Einstellung zur anderen äußert sich mit einem messbaren Energieimpuls. Dieser enthält praktisch die Informationen über die untersuchte Probe.

Der Übergang vollzieht sich vor folgendem physikalischen Hintergrund: Die Kerne bewegen sich mit einer ganz besonderen Frequenz, die man als Lamorfrequenz bezeichnet. Mit Hilfe einer geeigneten Sendequelle sendet man zur eigentlichen Untersuchung Radiowellen (siehe elektromagnetische Strahlung) durch die Probe. Wenn die Frequenz der Radiowellen mit der jeweiligen Lamorfrequenz übereinstimmt, liegt der so genannte Resonanzfall vor, d. h., es kommt zum Übergang von einer Einstellung zur anderen. Das Ergebnis lässt sich mittels Computermethoden in ein Bild übertragen und auswerten.

Ein mit dem NMR verwandtes Verfahren ist die so genannte Kernspintomographie. Sie wird etwa seit den frühen achtziger Jahren zur Diagnose eingesetzt, um genauere Bilder von menschlichem Körpergewebe zu erhalten, als dies mit den Mitteln der Computertomographie oder mit Ultraschalluntersuchungen möglich ist. Im Gegensatz zur herkömmlichen Tomographie wird bei der Kernspintomographie keine ionisierende Strahlung verwendet.