Comprendere le caratteristiche degli elettroni è fondamentale per comprendere alcuni aspetti caratteristici della risonanza magnetica, come il Chemical Shift e l’effetto T2* ( si legge t 2 star ).

Abbiamo già spiegato nella lezione precedente quali sono le componenti di un atomo, tra le quali appunto vi sono gli Elettroni. L’elettrone è una particella subatomica con carica elettrica negativa che si ritiene essere una particella elementare dal modello standard. Gli elettroni, insieme ai protoni e ai neutroni, sono componenti degli atomi e, sebbene contribuiscano alla massa totale dell’atomo per meno dello 0,06%, ne caratterizzano sensibilmente la natura e ne determinano le proprietà chimiche: il legame chimico covalente si forma in seguito alla condivisione di elettroni tra due o più atomi. Il moto dell’elettrone genera un campo magnetico, mentre la variazione della sua energia e della sua accelerazione causano l’emissione di fotoni; è inoltre responsabile della conduzione della corrente elettrica e del calore.

Ai primi del 900 Niels Bohr propose un modello in cui l’elettrone poteva trovarsi solo in particolari orbite di ben definita energia e non a una distanza qualunque dal nucleo…

Niels Bohr

Niels Bohr

Egli sosteneva infatti che l’energia dell atomo non può’ cambiare in modo continuo ma solo per “salti”. Questi pacchetti di energia sono chiamati quanti. I quanti non possono essere spezzati in valori intermedi, se l’elettrone non riceve il pacchetto intero non aumenta la sua energia.

In seguito Schroedinger sostituì il concetto di orbita circolare, non più consistente con le osservazioni, con il termine di orbitale, ossia di area attorno al nucleo in cui abbiamo maggiore probabilità di trovare l’elettrone.

orbitali elettronici

Modelli di orbitali elettronici

Schroedinger

Schroedinger

Dall’ orbitale più vicino al nucleo (e più basso livello di energia) l elettrone può saltare ad orbite più lontane (livelli di energia più alti), con la somministrazione di fotoni di sufficiente energia.

salto

Se una radiofrequenza passa abbastanza energia all’elettrone, questo sarà in grado di aumentare il suo livello energetico, cambiando orbitale.

I fotoni sono pacchetti (quanti) di radiazione elettromagnetica la cui energia E dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione:

lunghezza-d'onda-della-radiazione

Dove h = costante di Plank, c = velocità della luce e v = frequenza

Ricadendo ai livelli più bassi (più stabili) l’elettrone riemette gli stessi quanti di energia ricevuti, e produce le righe spettrali. I “salti” che l’elettrone può fare sono sempre gli stessi e così gli spettri sono costanti e rendono riconoscibili gli elementi.

Quando la radiofrequenza si interrompe l'elettrone torna al suo posto originale al livello energetico inferiore

Quando la radiofrequenza si interrompe l’elettrone torna al suo posto originale al livello energetico inferiore

L’orbitale sul quale l’ elettrone sta girando determina il livello energetico dell’ atomo. Ovvero la carica elettrica alla quale è associato il momento magnetico.

La risonanza magnetica NON E’ IN GRADO di comunicare energie tali che sono invece caratteristiche delle radiazioni ionizzanti, ma è comunque in grado di eccitare il sistema, aumentando l’energia della nuvola elettronica del sistema.

Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti

Ricordiamoci che esistono diverse frequenze per le onde elettromagnetiche, e lo spettro del nostro universo è molto ampio. Abbiamo appena descritto come un fotone sia in grado di trasmettere la sua energia a un elettrone e a fargli fare un salto quantico per cambiare la sua posizione nel suo sistema, se addirittura arrivasse a strapparlo dal sistema dell’atomo si parlerebbe di radiazioni ionizzanti. La risonanza magnetica lavora con onde elettromagnetiche che hanno una frequenza che non è in grado di raggiungere certe energie per cui si colloca tra le radiazioni non ionizzanti. Come mostrato dalla figura sottostante la risonanza magnetica si colloca tra le onde radio con una frequenza a volte simile a quella della vostra stazione radio fm preferita. Questo genere di onda elettromagnetica non è pericolosa, ma attenzione non significa che sia innocua in determinate condizioni, ad esempio impareremo più avanti che è la combinazione di campo magnetico e di onda elettromagnetica a creare effetti potenzialmente nocivi per la salute, per la creazione di calore calore,di artefatti e disomogeneità.

 

Kangarlu, Alayar & L. Robitaille, Pierre‐Marie. (2000). Biological Effects and Health Implications in Magnetic Resonance Imaging. Concepts in Magnetic Resonance.

*Immagine tratta da Kangarlu, Alayar & L. Robitaille, Pierre‐Marie. (2000). Biological Effects and Health Implications in Magnetic Resonance Imaging. Concepts in Magnetic Resonance.