Polarización del Espín Nuclear

En los estudios de la resonancia magnética nuclear (NMR), se usa un fuerte campo magnético, para polarizar parcialmente los espines nucleares. Tomando protones como ejemplo más común, el exceso del espín del protón en la dirección del campo magnético, constituye una pequeña magnetización neta del material. El espín del protón tiende a alinearse con el campo magnético, que es el estado de mínima energía potencial magnética. El protón sólo puede tomar dos estados de espín, que se visualizan como estados de precesión del espín del protón, alrededor de la dirección del campo magnético (baja energía), y alrededor de la dirección opuesta al campo (alta energía). El comportamiento del momento magnético del protón en el campo magnético, se puede visualizar como una pequeña barra magnética entre dos polos magnéticos. Tenderá a alinearse con el campo, y toma un trabajo positivo para girar en oposición al campo. A continuación, se muestra la diferencia de energía entre los dos estados de espín de protones, en un campo magnético de 1 Tesla (10.000 Gauss).

Téngase en cuenta que la diferencia de energía entre los estados de espín, es muy pequeña en comparación con la energía térmica media, de alrededor de 0,04 eV a temperatura de 300K. Esto implica que el grado de polarización que puede ser mantenido a temperaturas ordinarias, es en realidad muy pequeño. La diferencia de equilibrio entre los estados inferior y superior está dado por el factor de Boltzmann, que en este caso se puede aproximar, por los dos primeros términos de la serie exponencial.

El exceso de protones en el estado alineado (inferior), es de sólo cuatro de cada millón. Afortunadamente, este pequeño exceso fraccional, es suficiente para permitir una señal apropiadamente fuerte en la NMR, para hacer de esta, una herramienta importante en la química analítica.