Atomkerne: Verteilung der Kernspinzustände

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, in Gegenwart eines Magnetfeldes, bevorzugen die meisten Kerne den Spin +1/2 Zustand mit niedrigerer Energie gegenüber dem Spin mit höherer Energie -1/2 Zustand.

Bei Raumtemperatur verteilt die Energie aus thermischen Stößen die Spins gleichmäßiger zwischen den beiden Zuständen, wie durch die Boltzmann-Verteilungsgleichung beschrieben.

N₊ und N₋ stellen die Anzahl der Drehungen dar, die in den Zuständen Spin +1/2 bzw. Spin -1/2 vorhergesagt werden.

Die Energiedifferenz zwischen den Spinzuständen ΔE wird als hν ausgedrückt, wobei h die Planck-Konstante und ν die Betriebsfrequenz des NMR-Instruments ist. k ist die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur, die in Kelvin gemessen wird.

In einem 60-MHz-Instrument mit 298 Kelvin hat beispielsweise der niedrigere Energiezustand eine Überpopulation von etwa neun bis zehn unter zwei Millionen Kernen, die das NMR-Signal erzeugen.

Die Verwendung einer höheren Betriebsfrequenz vergrößert die Energielücke und die Überbevölkerung.