1. Kim nam chõm nhận bất kỳ năng lượng nào của từ trường ngoài
Một kim nam chõm trong từ trường của trỏi đất thỡ kim nam chõm sẽ hướng theo từ trường của trỏi đất. Nếu làm lệch kim nam chõm một gúc θ rồi thả kim nam chõm tự do thỡ nú sẽ chuyển động trở lại vị trớ cõn bằng ban đầu. Vị trớ cõn bằng là vị trớ cú mức năng lượng thấp nhất. Gúc lệch càng cao thỡ năng lượng E của kim nam chõm càng lớn:
E = - B0.àcosθ (4’)
Cosθ = (-1,+1) nờn E = (+μB0, -μB0) cú giỏ trị liờn tục.
E: năng lượng của kim nam chõm; B0: cường độ của từ trường ngoài. μ: giỏ trị tuyệt đối momen từ của nam chõm.
θ: gúc lệch
2. Hạt nhõn từ khỏc với kim nam chõm, chỉ nhận năng lượng giỏn đoạn (lượng tử hoỏ)
Khi khụng ở trong từ trường, cỏc hạt nhõn cú cựng μ đều ở mức năng lượng bằng nhau. Khi đặt một hạt nhõn từ vào trong một từ trường ngoài cú cường độ B0 thỡ cỏc momen từ μ của hạt nhõn từ sẽ xoay theo hướng cú đường sức từ của từ trường ngoài.
Hạt nhõn nguyờn tử từ khi ở trong một từ trường ngoài khỏc với một kim nam chõm trong từ trường của trỏi đất: hạt nhõn từ khụng phải tiếp nhận bất kỳ một vị trớ nào của từ trường bờn ngoài mà nú chỉ ở một số vị trớ nhất định trong khụng gian tương ứng với một số trạng thỏi năng lượng xỏc định nghĩa là năng lượng của hạt nhõn từ được thể hiện qua giỏ trị của cosθ: cosθ = m/I (5)
I: số lượng tử của spin hạt nhõn (I = 0, ẵ, 1, 3/2, 5/2…) mI: số lượng tử từ hạt nhõn (m = -I đến +I) cú 2I + 1 giỏ trị Vớ dụ 1: Hạt nhõn 1H, 13C, 31P; cú I = ẵ
Khi I = ẵ thỡ mI = -ẵ và ẵ và mI cú 2.1/2 + 1 = 2 giỏ trị Từ (5) suy ra cosθ = -1 và +1 nờn θ = 0 và θ = π
Vớ dụ 2: Hạt nhõn 2D, 14N; I = 1 E = B0.à0 (4)
Khi I = 1 thỡ mI = -1,0,+1 cú 2.1+1 = 3 giỏ trị
Từ (5) suy ra cosθ = -1,0,1 nờn θ = π/4; θ = 0 và θ = 3π/4 3. Sự tỏch mức năng lượng của hạt nhõn trong từ trường ngoài
Cỏc hạt nhõn nguyờn tử 1H, 13C, 31P … cú số lượng tử spin hạt nhõn I = ẵ và số lượng tử từ mI = -ẵ và ẵ, khi đặt chỳng vào trong từ trường của nam chõm thỡ cỏc spin này sẽ quay hướng ngược chiều nhau và chiếm hai mức năng lượng khỏc nhau cú hiệu số là:
∆E = h.ν = (h/2π).γ.B0 hay ν = (1/2π).γ.B0
Ở đõy, ΔE là năng lượng cộng hưởng, ν là tần số cộng hưởng, B0 là cường độ của từ trường nam chõm, γ là hệ số từ thẩm, mỗi hạt nhõn cú giỏ trị khỏc nhau như γ (1H) ~ 4γ (13C).
Hỡnh vẽ sau chỉ ra sơ đồ phõn tỏch mức năng lượng của hạt nhõn từ đặt trong từ trường ngoài, hạt nhõn cú số lượng tử từ m = ẵ cú mức năng lượng thấp cũn hạt nhõn từ cú số lượng tử từ m = -ẵ cú mức năng lượng cao, hiệu số giữa hai mức năng lượng là ΔE.
Sự phõn bố này khụng bằng nhau, số hạt nhõn ở năng lượng thấp bao giờ cũng nhiều hơn số hạt nhõn nằm ở mức năng lượng cao một ớt và tuõn theo sự phõn bố Boltzman:
N1: số hạt nhõn chiếm mức năng lượng thấp N2: số hạt nhõn chiếm mức năng lượng cao T: nhiệt độ tuyệt đối
4. Điều kiện để kớch thớch hạt nhõn từ (đó tỏch mức năng lượng trong từ trường B0)
Muốn xảy ra hiện tượng cộng hưởng phải chiếu vào hạt nhõn một từ trường B1 cú tần số cộng hưởng là ν1 sao cho B1 vuụng gúc với B0.
Khi đú: h.ν1 = ∆E = (h/2π).γ.B0 hay ν1 = (1/2π).γ.B0
ν1 là tần số cộng hưởng từ (tương ứng với năng lượng cần kớch thớch hạt nhõn chuyển từ mức thấp lờn mức cao nằm trong vựng súng vụ tuyến 108 – 106 Hz.