برای فهمیدنِ NMR, باید در موردِ فیزیکِ مغناطیس اطلاعاتِ کافی‌ داشت. ترجیه میدم مقدمهِ NMR رو با توضیحِ آهنربا شروع بکنم. همانطور که از دورانِ ابتدائی یادمون دادند، یک آهنربا ۲ قطب داره. قطبِ شمال N و قطبِ جنوب S. اگه آهنربا رو زیر یه برگه کاغذ بگذارید، و روی کاغذ براده آهن بریزید، می‌بینید که براده‌های آهن یه سری خطوط تشکیل میدن. اینطوری بود که اولین بار برامون میدانِ مغناطیسی‌ رو نشون دادند، بدون این که از معادلات maxwell استفاده بکنند. ولی‌ اشکالی که این آزمایشِ ساده داره اینه که نمی‌شه جهت این میدان رو تشخیص داد. میدانِ مغناطیسی‌ B یه کمیتِ برداریه، پس باید همیشه به جهتش توجه کرد. توی عکسِ پایین میتونید میدانِ ۲ بعدی تشکیل شده از یه آهنربای میله‌ای رو ببینید.

جهتِ میدانِ مغناطیسی‌ همیشه از قطبِ شمال ( مثبت یا N ) به جنوب ( منفی‌ یا S ) می‌باشد. مفهومِ NMR از همین شمای ساده شروع می‌شه. حالا ما فرض می‌کنیم که این آهنربا رو داریم، اگه یه میلهٔ باریکِ آهنی بهش نزدیک بکنیم، جذبِ این آهنربا می‌شه. هم میتونه جذبِ قطبِ N بشه هم قطبِ S. چون اساسا میلهٔ آهنی وقتی‌ در معرض میدانِ مغناطیسی‌ قرار میگیره، میتونه ۲ قطبیِ لحظه‌ای تشکیل بده. اگر میلهٔ آهنی به قطبِ N آهنربا نزدیک شود (مطابق شکلِ زیر)، آن طرفِ میله که نزدیکِ قطبِ N است تبدیل به قطبِ S میشود، و طرف مقابل میله به قطبِ N تبدیل میشود.

ولی‌ این اتفاق در مورد میله‌ای که خاصیتِ آهنربایی دارد اتفاق نمی‌افتد. حالا فرض کنید یک آهنربای کوچکِ دیگر در کنارِ آهنربای بزرگتر قرار گیرد. چه اتفاقی‌ می‌افتد؟ آهنربای کوچک تر در جهتِ میدانِ مغناطیسی‌ِ بزرگتر جهتگیری می‌کند. ولی‌ سوالی‌ که مطرح میشود اینست که آهنربای کوچکتر یک زمان کمی‌ نیاز دارد تا خود را در جهتِ میدانِ مغناطیسی‌ قرار دهد. فرض بکنید ۲ میلی‌ ثانیه طول بکشد. پس ما این زمان را با T_۱ نشان میدهیم.

در مرحلهٔ بعدی، فرض می‌کنیم که آهنربای کوچکتر در جهتِ میدانِ آهنربای بزرگتر قرار گرفته است. آهنربای بزرگ تر را به اندازهٔ ۹۰ درجه میچرخانیم. انتظار داریم که آهنربای کوچکتر نیز جهتِ خود را ۹۰ درجه بچرخاند تا همچنان هم مسیر با میدانِ آهنربای اصلی‌ قرار بگیرد. دوباره در این جا نیز زمانِ T_۱ طول خواهد کشید تا آهنربای کوچک در راستای میدانِ اصلی‌ قرار بگیرد.

تمامِ این اتفاق‌ها در یک دستگاهِ NMR اتفاق می‌افتد. به این صورت که آهنربای کوچکِ مثالِ ما همان اسپینِ می‌باشد (در مورد NMR اسپین هسته، ولی‌ در مورد EPR اسپین الکترون). آهندربای بزرگترِ مثالِ ما همان مغناطیسِ فوق هادیِ دستگاهِ NMR می‌باشد. این مغناطیسِ اصلی‌ در دستگاه‌هایی‌ که رزولوشن بالا خوانده میشوند (مثلِ دستگاهِ Bruker), تشکیل شده از یک سیم پیچ فوق هادی می‌باشد که میتواند مغناطیس‌های خیلی‌ بالا، در حد چند صد مگا هرتز را ایجاد کند. البته میتوان گفت تولیدِ میدانِ مغناطیسی‌ِ همگن تر شاید مهم تر از تولیدِ میدانِ مغناطیسی‌ِ قوی تر باشد. در دستگاه‌های دیگر مثلِ field cycler یا دستگاهِ minispec bruker و دستگاهِ mouse از مغناطیس‌های دائمی استفاده میشود و قدرتِ مغناطیسی این دستگاه‌ها در حد چند کیلو هرتز تا (معمولا) زیرِ ۱۰۰ مگا هرتز می‌باشد.

زمانی‌ که نمونه‌ای را در داخل دستگاهِ NMR قرار میدهیم، مثلِ همان است که یه آهنربای کوچک را به نزدیکی آهنربای بزرگتر می‌آوریم. آهنربای کوچک (اسپین ها) شروع به جهت گیری در جهت میدانِ مغناطیسی اصلی دستگاه میکنند. مدت زمان T_۱ طول می‌کشد که اسپین‌ها کاملا همجهت با میدانِ اصلی‌ بشوند. در مثالِ بالا، آهنربا ۹۰ درجه چرخانده شد. در دستگاهِ NMR این اتفاق توسطِ پالس اعمال میشود.

در قسمتِ دومِ این مقاله به توضیحِ پالس‌ها و زمان‌های آسایش ( T_۱ و T_۲ ) پرداخته خواهد شد.

هدف من از نوشتن در مورد NMR:

وقتی‌ دانشجوی لیسانس شیمی‌ بودم، NMR برام فقط یه ابزاری بود که شیمیست‌های آلی‌ ازش برای فهمیدنِ این که ترکیبی‌ که سنتز کردند درسته یا نه، چه ناخالصی‌هایی‌ ممکنه داشته باشه و یه سری کاربرد‌های اینچنینی بود. یکم که گذشت، اینو فهمیدم که با یه سری ویژگیهایی که توی طیفِ NMR می‌شه به دست آورد، میتونی یه اطلاعاتی در مورد ساختارِ محیطِ اطراف ترکیبت هم بدست بیاری. دیگه در این حد بود واسه منی‌ که لیسانسِ شیمی‌ بودم.

ولی‌ وقتی‌ وارد دنیای فیزیک‌ها شدم، و دیدم که فیزیک ها با علاقه تر دنبال NMR هستند، قضیه برام جالب‌تر شد. اوائل دنیا برام شیرینتر بود، چون اونا چیزهایی‌ که من از NMR به عنوان یه شیمیست میدونستمو نمیدونستند. مثلا بلد نبودند زیاد که از روی طیف NMR ترکیب محتمل رو شناسایی کنند. و اینکه من به راحتی‌ بدون این که به کتابی‌، رفرنسی  چیزی نگاه کنم می‌تونستم ترکیب و بشناسم براشون جالب بود (اینجا باید از روش آموزشی ایران ممنون بود که اینهمه چیزارو به خورد مغزمون دادند. البته اعتراف می‌کنم که فرکانس‌های IR بیشتر از چند تا یادم نمونده).

دنیا برا من شیمیست جالب بود،،،، تا اینکه رسیدیم به مباحثی که، من حس کردم دیگه اینا اون NMR‌ای نیست که من می‌شناختم. اینا می‌رفتند سر دستگاه، یه سری پارامتر‌ها رو تنظیم میکردند، بعد دستگاه مثلا ۱۰دقیقه کار میکرد، بعد  به جای اینکه مثلا یه FID بده که راحت یه ft تایپ کنی‌، بعد ph که فازشو تنظیم کنی‌، بعدش یه طیف خوشگل بده، اینا فقط یه چند سری عدد میگرفتن از دستگاه، میاوردند با یه برنامهٔ مثل excel  (به نام origin lab, که بعد‌ها دیدم خیلی‌ متفاوته) آنالیز میکردند و .... . اینجا بود که فهمیدم بد جایی‌ گیر افتادم. شروع کردن به خوندنِ یه سری کتابهای NMR که بیشتر فیزیکی بودند. اولش با کتابی‌ شروع کردم که توی ایران هم توی تربیت مدرس دیدم تدریس میشد (نویسندش Friebolin). این کتاب بیشتر می‌شه گفت بین شیمی‌ و فیزیک، با تاکید بیشتر بر شیمی NMR. این کتابی‌ بود که می‌تونم بگم زیاد کمکم نکرد، اما لازمه واسه یه شیمیستی که می‌خواد بره توی دنیای فیزیک ها. کتاب بعدی که به پیشنهاد استادم انتخاب کردم کتاب Spin Dynamics نوشتهِ Malcolm H. Levitt بود. حدود ۴-۵ ماهی‌ (نه پیوسته) مشغول این کتاب بودم. تا اینکه سرم بیش از پیش گرم کارای عملی‌ و آزمایشگاهی شد و یه سری کنفرانس و سفر اجباری، و هر روز که می‌گذشت بیشتر گیج میشدم.

می‌شه گفت اینایی که نوشتم همش داستان بود، و تازه اینجاست که می‌خوام بگم چرا دوباره برگشتم وبلاگی که دوران لیسانس ساخته بودم رو زنده کنم. می‌خوام یکم از گیجی کسانی‌ که میخوان بعد من این راه رو بیان کم کنم. NMR در حالت پیشرفته چیزی نیست که با ۲-۳ تا کتاب بتونی‌ بگی‌ مسلّط شدی. من شیمیست بودم، و البته هستم همچنان، و مثلا توی فوق لیسانس که الکترشیمی کار کردم، کتاب‌های زیادی واسه الکترشیمی نخونده بودم، اما هنوزم که هنوزه گاهی میرم توی isi و اسم دوستام یا استادام رو سرچ می‌کنم تا ببینم دارن توی چه زمینه‌ای کار می‌کنن، حتا ممکنه یه سریشون دیگه ایران نباسند، ولی‌ وقتی‌ abstract مقالشونو میخونم، میفهمم چی‌ کار کردند، و وقتی‌ خود مقاله رو میخونم، تا حد زیادی برام مفهوم می‌شه.

ولی‌ NMR اینطوری نیست، نمیتونی بگی‌ دکترای NMR داری، دیگه میفهمی. حداقل توی زمینهٔ (مثلا) شیمی‌ تجزیه (که رشته قبلیم بود) وقتی‌ کتاب الکترشیمی میخوندیم، تموم که میشد، یه کتاب دیگه بود به اسم advanced electrochemistry. دیگه میدونستی که اونو هم بخونی، میتونی بگی‌ که تا حد قابل قبولی اون زمینه رو بلدی. ولی‌ چیزی که هست، توی NMR عنوان همهٔ کتاب‌ها اینه: Basicss of - principles of - introduction to - - - NMR. کتابی‌ نیست که بگه advanced NMR )ممکنه یه سری ژورنال‌ها به این اسم باشند، منظورم اونا نیستن).

یادمه یه کتاب بود به اسم ImpedanceSpectroscopy که عکس یه فیل بود روش، که توی مقدمه کتاب قضیه فیلی رو تعریف کرده بود که آدم‌های مختلف می‌رن توی تاریکی‌ یه جاشو لمس می‌کنن، میان میگن اون مثلا یه موجود باریک و بلند بود، یا موجودی مثل دیوار صاف بود .... حالا NMR هم شده واسه ما همون. دو تا کتاب که عنوان جفتشون BasicsOfNMR باهم دیگه زمین تا آسمون فرق می‌کنن. البته بگذریم از یه سری مباحث که کاملا مربوط می‌شه به کوانتوم.

یه سری وبلاگ‌های فیزیک هست که برام جالبن. نویسندشون دانشجو (مثل من) نیستند. نویسندش یه استادِ کهنه کار که مفاهیمی که ممکنه برا دانشجوها سخت باشه رو به زبون ساده می‌نویسه. حالا این واسه مایی که ایرانی‌ هستیم سود ۲ طرف داره. یکیش همین که گفتم، دومیش این که آخه بدبختی اینجاست که توی ایران کتاب‌های پیشرفت ترجمه نشدن. بعضی‌‌ها میگن که زبان علم انگلیسیه. کاملا قبول دارم. اما گاهی آدم می‌خواد یه چیز رو به زبون خودش اول بفهمه، بعد بیاد به انگلیسی‌ اونا رو بحث کنه. هر چقدر هم که انگلیسیت قوی باشه، نمیتونی مفهوم یه قضیه کوانتومی رو به انگلیسی‌ بفهمی. مثل اینه که یه کسی‌ بخواد واسه یادگیری فلسفه، کتاب‌های انگلیسی‌ فلسفه (در سطح بالا) بخونه.

دوست دارم مطالبی که مینویسم، که خلاصه‌ای از آن چه دارم اینجا یاد میگیرم هست، بتونه به دانشجوهای این رشته کمک بکنه، و تبدیل بشه به یک سایت آموزشی NMR به فارسی.