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Quando se fala em
ressonância magnética
nuclear (RMN),
possivelmente
a primeira idéia que vêm à cabeça
seja a do equipamento empregado
para diagnóstico médico por imagem.
A associação se justifica, afinal
dezenas de milhões desses exames
são feitos por ano no mundo.
Mas a RMN é uma técnica que se
estende bem além das aplicações
médicas. É empregada hoje como
um poderoso instrumento na física,
química, medicina, biologia,
agricultura e, mais recentemente,
na chamada informação quântica,
nova área de pesquisa cujo
expoente tecnológico mais popular
é o computador quântico,
que promete ser impensavelmente
mais veloz que seus
congêneres atuais.
Aqui, o leitor vai encontrar
um pouco da história da RMN
e a descrição de algumas
das principais aplicações.
Tito José Bonagamba,
Klaus Werner Capelle e
Eduardo Ribeiro de Azevedo
Instituto de Física de São Carlos,
Universidade de São Paulo
A RMN e suas ap
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Com o desenvolvimento da física no início do século passado, foi possível
constatar que a carga e a massa não eram as únicas pro-
priedades das partículas elementares. Descobriu-se, em
particular, que o elétron tem um momento magnético,
que foi interpretado como conseqüência do movimento
giratório dessa partícula em torno do próprio eixo ou,
mais precisamente, do momento angular intrínseco, cha-
mado spin.
O spin só pode ter certos valores, que, no caso do elé-
tron, são +1/2 e \u20131/2. Para outras partículas, os possíveis
valores do spin podem ser diferentes, porém sempre são
limitados a múltiplos inteiros de 1/2. Em outras palavras,
o spin é quantizado, ou seja, seus valores variam aos \u2018sal-
tos\u2019 e não de modo contínuo. Isso foi observado em um
experimento conduzido pelos físicos alemães Otto Stern
(1888-1969) e Walther Gerlach (1889-1979), no início da
década de 1920 (ver \u2018Dois experimentos clássicos\u2019).
Mesmo depois da descoberta do spin e de sua interpre-
tação como momento angular intrínseco, dúvidas permane-
ceram sobre, por exemplo, a questão da sua origem e de
seus possíveis valores. Uma resposta mais satisfatória a es-
sas perguntas só pôde ser dada após 1928, principalmente
através das contribuições do físico inglês Paul Dirac (1902-
1984) para a chamada mecânica quântica relativística. \ufffd
licações atuais
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Estruturas finas
e hiperfinas
Outra conseqüência da existência do spin foi des-
coberta na análise da luz absorvida e emitida por
átomos. Ao absorver energia, um átomo abandona
seu estado \u2018natural\u2019 (de mais baixa energia) e fica
excitado. Em seguida, o excesso de energia é de-
volvido ao meio na forma de luz (radiação eletro-
magnética). Porém, essa luz só é emitida em certas
freqüências \u2013 ou seja, é quantizada \u2013, o que dá ori-
gem a um conjunto de linhas, o espectro. Esse es-
pectro é bem característico para cada átomo, fun-
cionando como um tipo de \u2018identidade atômica\u2019.
Em 1913, o modelo de átomo apresentado pelo
físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) levou a
previsões \u2013 em bom acordo com resultados experi-
mentais \u2013 para as freqüências emitidas e absorvidas
É interessante observar que, para ser completa-
da, a descrição matemática de uma propriedade
que aparentemente é tão simples \u2013 o giro de um
objeto pequeno em torno de si mesmo \u2013 precisou
esperar o casamento das duas grandes revoluções
conceituais do início do século passado: a teoria da
relatividade restrita, publicada em 1905 pelo físico
alemão Albert Einstein (1879-1955), e a mecânica
quântica, cujo desenvolvimento se deu principal-
mente na década de 1920. A primeira modificou os
conceitos sobre espaço e tempo, com conseqüências
principalmente para objetos que se deslocam a
velocidades próximas à da luz no vácuo (300 mil
km/s); e a outra descreveu os fenômenos observados
no microuniverso dos átomos e das moléculas.
Apesar da complexidade teórica que envolve o
spin, essa propriedade pode ser facilmente obser-
vada em nosso dia-dia: o magnetismo produzido
pelo spin é o responsável pelas propriedades mag-
néticas do ferro e de outros ímãs simples.
O experimento feito em 1922 por Stern e Gerlach
tornou-se um clássico na história da física do século
passado. Nele, um feixe de átomos de prata atravessa
o interior de um ímã e atinge uma placa fotográfica.
O ímã foi construído com um formato especial, para
produzir um campo que cresce na direção vertical.
O átomo de prata tem um elétron desemparelhado
na última camada e, por essa razão, seu comporta-
mento magnético é equivalente ao de um elétron iso-
lado submetido à força magnética. Dependendo do
sinal do spin do elétron (+1/2 ou -1/2), ele será de-
DOIS EXPERIMENTOS CLÁSSICOS
Figura 1.
Esquema
do experimento
realizado
em 1922 por
Stern e Gerlach
Esse experimento foi realizado de-
pois com feixes de elétrons, prótons e
nêutrons, todos apresentando spin 1/2.
MOMENTOS INVERTIDOS
Em 1934, Rabi e Cohen usaram dois
ímãs \u2013 mostrados na figura 2 como A
e B \u2013 com formatos semelhantes ao
do experimento de Stern e Gerlach, po-
rém invertidos entre si. Entre esses dois
ímãs, encontrava-se um terceiro (C),
cujo campo é vertical e uniforme. No
interior do ímã C, foi colocada uma
bobina alimentada por um gerador de
radiofreqüência.
fletido por essa força para cima ou para baixo, o que
fará os átomos de prata atingirem posições diferentes
na placa fotográfica (figura 1).
Stern e Gerlach observaram apenas duas zonas de
impacto. Esse resultado mostrou que o spin do elé-
tron apresenta apenas dois valores permitidos \u2013 ou
seja, é uma grandeza quantizada \u2013, como proposto
pelo físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) e
pelos holandeses Samuel Goudsmit (1902-1978) e
George Uhlenbeck (1900-1988) para explicar os resul-
tados dessa experiência.
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priedades dos elétrons nele confinados:
i) a espectroscopia, técnica na qual os átomos,
ao absorverem e emitirem luz, revelam seus es-
pectros característicos;
ii) experiências envolvendo campos magnéti-
cos, com a de Stern e Gerlach.
Desenvolvimento
espantoso
Uma evolução importante do experimento de Stern
e Gerlach foi introduzida pelo físico austríaco Isidor
Rabi (1898-1988) e o norte-americano Victor Co-
hen em 1934. Esses resultados foram fundamen-
tais para o desenvolvimento das técnicas moder-
nas de RMN (ver \u2018Dois experimentos clássicos\u2019).
Após a Segunda Guerra Mundial, com o desen-
pelo átomo de hidrogênio, que tem o núcleo \u2013 forma-
do por um próton \u2013 orbitado por apenas um elétron.
Porém, o aumento da resolução dos instrumentos
revelou que muitas das linhas espectrais para o
átomo de hidrogênio consistiam, na verdade, de
subconjuntos de linhas separadas, chamados multi-
pletos. Essa estrutura fina, como foi denominada,
colocou em cheque as teorias da época, incluindo o
próprio modelo de Bohr. Posteriormente, os experi-
mentos trouxeram outra surpresa: até as linhas in-
dividuais dos multipletos podem consistir de várias
sublinhas, dessa vez batizadas de estrutura hiperfina.
Hoje, sabemos que a estrutura fina se deve ao
fato de os elétrons orbitarem o núcleo com veloci-
dades próximas à da luz, sendo assim sujeitos a
efeitos relativísticos. Já a estrutura hiperfina é ex-
plicada pela interação entre o momento magnético
do elétron e o das partículas no núcleo.
Temos, então, duas possibilidades de sondar,
experimentalmente, a estrutura do átomo e as pro- \ufffd
Rabi e Cohen usaram um feixe de moléculas