Betrachtet man ein Volumen im Gewebe eines Menschen, der keinem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist, so findet man eine
einige gleichmäßige Verteilung aller Spins in dieser Probe. Spins aller Feldrichtungen kommen mit gleicher Wahrscheinlichkeit
vor - und kompensieren sich deshalb in ihrer Nettowirkung vollständig. Die Gewebe ist deshalb unmagnetisch.
Wird das Gewebe in ein Magnetfeld gebracht (zB in das starke Magnetfeld eines Kernspingerätes) richten sich die
Spins entlang der magnetischen Feldlinien (grün) aus. Dabei ergeben sich zwei Einstellungsmöglichkeiten
des magnetischen Moments relativ zur Magnetfeldrichtung: parallel und antiparallel. Die parallele Ausrichtung ist energetisch
etwas günstiger als die antiparallele. Deshalb ergibt sich ein kleiner Überschuß an parallel ausgerichteten Spins,
der jedoch entscheidend wichtig ist für die Kernspintomographie: denn nur dieser Überschuß an "ungepaarten" parallel
ausgerichteten Spins trägt zur Entstehung des Kernspinsignals bei. Je größer der Überschuß an parallel
ausgerichteten Spins, desto besser das NMR-Signal.
Der Spinüberschuß hängt von der Stärke des angelegten Magnetfeldes und der Temperatur ab (siehe unten) ab. Bei einer Feldstärke von
1.5 Tesla (NMR-Gerät mit supraleitendem Magneten) beträgt der Überschuß nur 10 parallele Spins pro 2 Millionen (5 ppm).
Das erscheint zunächst sehr wenig. Aber 1 ml Wasser mit 3*1022 Molekülen enthält damit immerhin
3*1017 resonanzfähige Wasserstoffatome!
Die Verteilung der Spins zwischen zwei Energieniveaus läßt sich noch etwas anders darstellen. Die energetisch
bevorzugte Ausrichtung parallel zum äußeren Magnetfeld hat eine geringere freie Energie, während die antiparallele
eine größere freie Energie und damit ein höheres, ungünstigeres Energieniveau aufweist. Der Abstand zwischen
den beiden Energieniveaus wird durch die Stärke des äußeren Magnetfelds bestimmt: je größer die
Feldstärke, desto größer die Energiedifferenz DE. Die Energiedifferenz zwischen den beiden
Ausrichtungen im Magnetfeld ist allerdings sehr klein (ca 10-8 eV). Deshalb ist eine Besiedelung des oberen Energieniveaus
nicht unwahrscheinlich - und deshalb befindet sich zu jedem Zeitpunkt eine großer Anteil der Spins in antiparalleler Ausrichtung.
Wie groß der Anteil der Spins im oberen Energieniveau ist, hängt von der Energiedifferenz DE und
der absoluten Temperatur T ab und wird durch die Boltzmann-Gleichung beschrieben:
antiparallel/parallel = e-DE/kT
wobei k, die Boltzmann-Konstante, 1.38054*10-23 J/K beträgt. Beim absoluten Nullpunkt (T=0) befinden sich
damit alle Spins in paralleler Ausrichtung zum äußeren Magnetfeld (oben links). Bei höheren Temperaturen
stellt sich ein Gleichgewicht zwischen beiden Ausrichtungen ein (oben rechts), wobei jedoch die parallele
Ausrichtung immer leicht bevorzugt wird. Bei Körpertemperatur sind beide Niveaus fast gleich besetzt. Um ein besseres
NMR-Signal zu bekommen, muß man den Spinüberschuß im unteren Niveau erhöhen. Dazu kann man entweder
die Temperatur erniedrigen oder DE vergrößern. Bei der Kernspintomographie wird
DE durch Anlegen starker Magnetfelder vergrößert.
