Введение в ЯМР

С точки зрения классической физики описание взаимодействия ядерного спина с магнитными полями можно описать, используя модель  вращающегося волчка. При этом разным ориентациям углового и магнитного момента будет соответствовать разная ориентация вращающихся ядер. 

Квантовая механика допускает только определённые ориентации магнитного момента во внешнем магнитном поле. В частности, вектор магнитного момента ядра не может быть параллелен вектору напряженности внешнего магнитного поля. Кроме того, вращающийся волчок должен прецессировать вокруг вектора внешнего магнитного поля. Частота прецессии называется Ларморовой частотой.

Если мы хотим изменить угол между направлением прецессии и Н_o, мы должны приложить силу, которая изменила бы направление оси прецессии. В ЯМР спектроскопии такая сила может возникнуть за счет приложения второго магнитного поля, перпендикулярного Н_o.

Когда это второе магнитное поле Н₁, вращается вокруг Н_o с Ларморовой частотой, магнитный момент вращающегося ядра будет участвовать в двойной прецессии вокруг Н_o и вокруг Н₁. Поскольку  Н₁ много меньше Н_o, частота прецессии вокруг Н₁ много меньше частоты прецессии вокруг Н_o. Такая двойная прецессия и приводит к изменению угла между осью прецессии магнитного момента ядра и  Н_o.

В соответствии с классической механикой угол между Н_o и магнитным моментом вращающегося ядра может быть изменён на любую величину в зависимости от напряженности Н₁ (на рисунке это изменение составляет почти 90⁰). Поскольку квантовая механика ограничивает значения магнитного момента, то вращение Н₁ с Ларморовой частотой приводит переходам из одной разрешенной ориентации в другую.

Правило отбора для изменения ориентации магнитных моментов в процессе ЯМР переходов состоит в том, что 

Δm_I=±1

где m_I - это проекции спинового момента на выбранную ось. Т.е. ЯМР переходы могут происходить только между близлежащими энергетическими уровнями.