NMR 기초 원리: NMR과 초전도체

NMR 기초 원리: NMR과 초전도체

 

 

 

태양이 자전하듯이, 원자핵도 자전을 합니다.

즉, 원자핵은 팽이처럼 회전 운동을 합니다. 이 때문에 스핀 성질(그냥 돌고 있다는 의미입니다)을 갖고 있습니다.

 

그런데 원자핵(양성자)은 양전하를 띠고 있습니다.

전하를 띤 입자가 운동을 하면, 자기장이 만들어 지듯이, 양전하를 띤 원자핵이 회전 운동하기 때문에, 원자핵은 자기 모멘트 성질(자석처럼 자기적 성질을 갖고 있다는 의미입니다)을 갖고 있습니다.

 

정리하면, 원자핵은 팽이처럼 회전 운동하기 때문에, 스핀 성질과 자기 모멘트 성질을 갖고 있습니다.

 

 

 

수소, 탄소와 같은 몇몇 원자핵들은 외부 자기장이 존재하면, 원자핵들의 에너지 준위가 2개(또는 그 이상)로 분리가 됩니다. 이때 원자핵들의 스핀 상태(핵 스핀 양자수라고도 합니다)도 2개로 분리가 됩니다.

 

또는 외부 자기장이 존재하면 원자핵들의 스핀 상태에 따라 원자핵들의 에너지 준위가 2개로 분리가 됩니다. 라고 설명하기도 합니다.

 

 

 

원자핵이 자전하기 때문에 자기 모멘트를 갖고 있다고 했는데, 원자핵의 회전 방향에 따라 자기 모멘트의 방향은 원자핵마다 제각각입니다.

 

그런데, 외부 자기장이 존재하면, 오로지 2개 방향, 즉 외부 자기장과 ①나란한 방향과 ②반대 방향으로, 핵 스핀이 정렬을 합니다.

 

 

 

 

이때 외부 자기장과 나란한 핵 스핀을 가진 핵종은 에너지가 낮아지고, 반대 방향인 핵종은 그만큼 에너지가 증가합니다. 이 때문에 원자핵들의 에너지 준위가 2개로 분리가 되는 것입니다.

 

 

 

 

어쨌든 여기가 중요한 부분입니다.

외부 자기장이 존재하면 원자핵들의 에너지 준위가 2개로 분리가 된다는 것이죠.

반대로 외부 자기장이 없으면, 모든 원자핵들의 에너지 준위는 동일합니다.

 

 

[ 그림 출처 Wikimedia ]

 

 

 

그리고 원자핵들의 에너지 준위가 분리되는 정도는 외부 자기장(즉 외부 자석)의 세기에 비례합니다. 즉 외부 자기장의 세기가 크면 클수록, 에너지 준위가 더 많이 분리됩니다.

한편, 원자핵들의 에너지 준위가 많이 분리될수록, NMR 신호(즉 피크 세기, 높이)도 비례하여 증가합니다.

 

이 때문에, 당연히, 필수적으로, 강한 NMR 신호를 얻기 위해서는 강력한 외부 자석이 필요합니다.

처음에 만든 NMR 기기는 영구 자석을 외부 자기장으로 사용했으나, 현대의 NMR 기기는 전자석을 사용합니다.

 

이 전자석의 재료가 바로 초전도체입니다. 즉 초전도체로 전자석을 만든 것이죠.

왜냐하면, 저항이 작을수록 전류를 많이 흘려보낼 수 있고, 따라서 그만큼 높을 자기장을 발생시킬 수 있기 때문입니다.

 

 

 

참고로, 온도가 낮을 경우에도 저항이 감소되기 때문에, 초전도체 전자석 주변을 액체 헬륨으로 냉각을 시킵니다. 사실 NMR 기기는 전자석을 냉각시키는 장치가 대부분의 공간을 차지합니다(사진에서 연구원이 올라가 있는 부분에 해당되며, 전자석 사이에 시료를 넣고, NMR 측정을 합니다.)

 

 

[ 그림 출처 Wikimedia ] Nuclear Magnetic Resonance spectrometer made by Bruker which operates at 700 MHz.

 

 

 

NMR에서 초전도체란 외부 자기장을 발생시키는 역할을 하는 전자석의 재료를 의미합니다.

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.blogspot.com/2023/11/nmr.html ]

[목차] 핵 자기 공명 분광학. NMR 분광법

 

 

 

[키워드] MRI dic, magnetic resonance imaging, 자기공명영상 기준, NMR dic, nuclear magnetic resonance, 핵자기공명 기준, 초전도 현상 기준, 초전도체 기준, 액체 헬륨 기준