Al principio del desarrollo de la teoría cuántica, se descubrió que era necesario introducir el concepto de espín para el electrón a fin de tener en cuenta la cantidad de electrones en cada capa y la división de los niveles de energía por campos magnéticos. El término giro fue elegido por analogía con el giro de lunas y planetas y la idea de que una carga giratoria generaría un campo magnético perpendicular al eje de giro.
Un poco más tarde se propuso que los núcleos también deberían tener espín y generar un campo magnético que pudiera detectarse mediante espectroscopía. Eso resultó ser mucho más difícil y tomó un par de décadas lograrlo. Pero ahora, 80 años después, tenemos espectrómetros de RMN que hacen eso y más, fácilmente. Además, el gran spin-off fue las máquinas de imágenes de resonancia magnética ahora ampliamente utilizadas en medicina como una alternativa segura a los rayos X, y capaces de recopilar mucha más información de la que nunca podrían obtener los rayos X. Mientras que el número cuántico de espín electrónico es 1/2, para los núcleos es más complicado. Un núcleo está formado por neutrones y protones, y para determinar su giro hay que sumar las contribuciones de ambos. Espera un minuto ! ¡incluso si los neutrones tienen espín, debería ser indetectable por efectos magnéticos porque tiene carga cero! Bueno no. El neutrón tiene un espín que genera un campo magnético, al igual que el protón.
Piense en el núcleo como que tiene niveles de energía en los que los giros de partículas se pueden emparejar para una ocupación doble, por lo que obtiene pares de protones y pares de neutrones. Luego tienes que ver cuántos protones hay y cuántos neutrones. Los números iguales para ambos significan que todos los giros probablemente estén emparejados, por lo tanto, no hay giro neto. Los números impares para ambos implican contribuciones de giro para ambos. Uno par y el otro impar significa solo contribución del conjunto impar. Por lo tanto, las posibilidades de que un elemento tenga un giro nuclear es mayor que si no tuviera uno. Dada la aparición de isótopos, existe una posibilidad aún mayor de que un elemento tenga un espín nuclear. Los más fáciles de detectar son aquellos con un spin neto 1/2, esto se debe a que su carga nuclear es generalmente esférica y no “interfiere” con el magnetismo del spin.
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La espectroscopía de resonancia magnética nuclear se ha convertido en una herramienta esencial en la determinación de la estructura molecular, particularmente en solución, y también se puede usar para medir velocidades de reacción, información de movimiento dentro de las moléculas y muchas otras cosas. Las imágenes de resonancia magnética se realizaron hace unos 50 años y hoy se llevan a cabo de manera rutinaria con imágenes en 3D de las partes internas del cuerpo que miden las tasas de flujo sanguíneo y muchos otros aspectos inimaginables hace 50 años.
¿Los núcleos y los electrones realmente giran? Quién sabe, pero hacen algo que replica los efectos del giro, y puede modelarse matemáticamente y explicarse mejor que casi cualquier otro fenómeno cuántico.
