원자핵 자기공명법[nuclear magnetic resonance- NMR]

원자핵 자기공명법(nuclear magnetic resonance: NMR)
NMR은 비교적 최근 개발된 기기로 물질의 분포와 특성을 연구하는데 요긴하게 사용된다. 물리학에서는 NMR 자체로 사용되지만, 사용 환경을 유지하기가 어렵고, 대형화, 실용화하기 힘들므로 수소원자에 특화하여 MRI(fMRI 포함)를 만들어 의료용 기기로 사용한다.
NMR은 물질에서물질에서 나오는 방사선(Resonance)의 강도를 측정하는 것을 중요시하는 반면, MRI는 방사선을 방출하는 특정 원자핵의 위치를 측정하여 그림(Image)으로 보여주는 것을 중요시한다는 것이 다르다. NMR은 실험 대상 물체에 가해진 자기장이나 전기장의 세기와 위치도 알아낼 수 있으므로 물질의 자기적 특징을 알아내는데도 사용된다. 대표적인 예가 초전도체의 자기특성인데, 초전도체에 형성되는 자기자기 Vortex의 변화도 파악할 수 있다.
NMR 원리를 간단히 살펴보면 너무 간단하고 쉽게 설명하려 했기 때문에 엄밀한 의미에선 불분명하게 설명한 부분이 있다.
※ NMR의 원리

① 우선 물질은 원자로 구성되어 있고, 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다. 원자핵과 전자는 자기모먼트라는 물리적 특성을 갖고 있는데, 자기모먼트가 존재함으로서 원자핵이나 전자가 자기장에 영향을 받게 된다.

물…(생략)

② 이 물체를 임의의 다른 코일(Coil)로 감싸고, 코일에 삼각파 혹은 사각파의 전류(펄스, Pulse)를 흘려보내준다. 이 전류가 순간적으로 코일에 흐르면 한한 방향으로 정렬되어 있던 원자핵들 중에 일부가 흐트러지게 된다.

③ 일반적으로 코일에 전류를 2회 가하게 되는데, 첫번째 가한 전류는 원자핵의 자기모먼트를 흐트러트리고, 두번째 가한 전류는 이 자기모먼트를 뒤집게 된다.

④ 흐트러진 원자핵은 방향이 90˚~180˚ 뒤집히는데, 이 원자핵은 전자기파(전파전자기파(전파 혹은 가시광선, 빛)를 방출하면서 서서히 강한 자기장에 다시 정렬하게 된다. 방출되는 전자기파는 처음 전류를 흘려보냈었던 코일에 전류를 유도하게 되고, 이 전류를 측정함으로서 원자핵의 상태를 파악할 수 있게 된다.

그림1. DTA의 heating block. S: sample, R: reference