Magnetresonanz

Magnetresonanz bezeichnet das resonante Absorptions- und Emissionsverhalten von Atomkernen mit Kernspin in einem externen statischen Magnetfeld. Im Feld B0 spalten sich die Energiezustände der Kerne durch Zeeman-Effekte. Durch Anregung mit elektromagnetischer Strahlung der Frequenz ω, die der Larmorfrequenz ω0 = γ B0 entspricht, treten Übergänge zwischen den Zuständen auf. Dieses Phänomen bildet die Grundlage vieler Verfahren der Kernspinresonanz, darunter NMR-Spektroskopie und magnetresonanztomographische Bildgebung.

Das Grundprinzip besteht darin, die Kernspin-M Magnetisierung im Feld B0 auszurichten. Ein RF-Puls kippt die Magnetisierung aus der Gleichgewichtslage; danach kehrt sie durch Relaxationsprozesse in den Ausgangszustand zurück. Die relevanten Größen T1 (longitudinale Relaxation) und T2 (transversale Relaxation) beschreiben die zeitliche Entwicklung der Signale und beeinflussen Spektren sowie Bilder. Die Larmorfrequenz hängt vom Kerntyp und der Feldstärke B0 ab, sodass verschiedene Kerne unterschiedliche Spektren liefern.

Anwendungen: In der NMR-Spektroskopie dient Magnetresonanz der Strukturaufklärung chemischer Verbindungen, der Bestimmung von Konzentrationen und der Untersuchung von Molekülwechselwirkungen. In der Medizin wird die Technik als Magnetresonanztomographie (MRI) genutzt, bei der Gradientenfelder räumliche Informationen kodieren und Bilder von Geweben und Organen erzeugen. Der Kontrast hängt von T1- und T2-Unterschieden sowie von Protonendichte und der Sequenz ab; dabei bleibt die Strahlung nicht-ionisierend.

Historisch gehört die Kernspinresonanz zu den bedeutenden Entdeckungen der Physik. Die Grundlagen wurden 1946 von Felix Bloch und Edward M. Purcell gelegt. Die MRI-Entwicklung in den 1970er Jahren, mit wichtigen Beiträgen von Peter Mansfield und Paul Lauterbur, führte zu einer weit verbreiteten medizinischen Anwendung. Heute ist Magnetresonanz ein zentrales Werkzeug in Wissenschaft, Technik und Medizin.