Abschirmung - Entschirmung - chemische Verschiebung

Würde sich der Informationsgehalt der NMR-Spektroskopie ausschließlich auf die Detektierbarkeit der Isotop-spezifischen Resonanzfrequenzen reduzieren, wäre der Wert und die Akzeptanz dieser Messtechnik in der Chemie sicherlich gering geblieben, weil die reine Elementinformation wesentlich einfacher durch chemische Mikroelementaranalyse zu erhalten ist.

Man setzt beim NMR-Experiment jedoch nicht alleine den isolierten Atomkern dem Magnetfeld aus, sondern gesamte Atome in einem Molekül. Somit werden also auch die den Atomkern umgebenden Elektronen, die für die chemischen Bindungen in den Molekülen verantwortlich sind, dem externen, statischen Magnetfeld H₀ ausgesetzt.

Die Elektronen werden durch das äußere Magnetfeld H₀ in eine Rotationsbewegung versetzt (Induktionseffekt). Dieser Elektronenstrom bewirkt aber seinerseits wieder ein magnetisches Feld. Die auf diese Weise entstehenden Wechselwirkungen der Bindungselektronen mit H₀ verursachen kleine magnetische Zusatzfelder, die die jeweiligen Atomkerne in der Molekülstruktur gegenüber dem äußeren Feld umhüllen.

¹H-Atom: Wechselwirkung von Kern und Elektron mit dem Magnetfeld

Je nachdem, ob diese Zusatzfelder dem externen Feld H₀ direkt am Atomkern, dem Ort, an dem die Kernresonanz stattfindet, entgegenwirken oder dieses verstärken, bezeichnet man dieses Phänomen als Abschirmung oder Entschirmung.

Die Elektronendichte, die jeden Kern innerhalb eines Moleküls umgibt, variiert nun je nach Atom- und Bindungstypen in der jeweiligen Struktur. In Abhängigkeit davon ändern sich auch die durch Elektronen verursachten Zusatzfelder H_Zusatz und somit das jeweilig effektiv wirksame Magnetfeld H_eff an den einzelnen Kernorten: dieses Phänomen wird als die chemische Verschiebung bezeichnet.

mit

H0 Äußere Magnetfeldstärke σ Abschirmung Hzusatz zusätzliche Magnetfeldstärke durch Abschirmung oder Entschirmung Heff Effektive Feldstärke am Kern