Атоми складаються з ядра і рухаються навколо по орбіті негативно заряджених електронів. Ядро складається з позитивно заряджених позитронів і нейтральних нейтронів. Заряд протона дорівнює за значенням, але протилежний за знаком заряду електрона. Нейтрон нейтральний, але має внутрішній розподіл заряду. Ядра речовин в періодичній системі хімічних елементів відрізняються кількістю протонів. Ізотопи речовин мають однакову кількість протонів при різній кількості нейтронів.
Елементарні частинки мають спіном, т. Е. Власним моментом кількості руху (моментом імпульсу). Атом і ядро також володіють спіном, який складається з спинив і орбітальних моментів частинок. Спін ядра складається з спинив протонів і нейтронів.
Ядро має ненульовий спин, якщо воно має непарну кількість протонів або нейтронів. Якщо число нейтронів і протонів парне, ядро матиме нульовий спін. Тіло людини на 60% складається з води. Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Атом кисню містить парна кількість нейтронів і протонів, тому володіє нульовим спіном. Атом водню складається з одного протона, тому він має спіном. Оскільки принцип МРТ заснований на властивостях ненульових спинив атомів, МРТ зображення являє собою здебільшого карту розподілу водню в організмі. Беручи до уваги, що молекула води містить два атоми водню, т. Е. Два протонів з ненульовим спіном, можна сказати, що карта розподілу водню відповідає карті розподілу води в організмі.
Частка, що має спін, тобто обертається, генерує магнітний момент, який має напрямок, що збігається з напрям осі обертання. Поведінка цього магнітного моменту і спостерігається за допомогою МРТ, щоб детектувати протони. Під час відсутності зовнішнього впливу напрямок магнітного моменту змінюється випадковим чином. При цьому сумарний магнітний момент великої кількості протонів прямує до нуля.
При наявності зовнішнього магнітного поля спини (т. Е. Осі обертання, а значить і магнітні моменти) атомів прагнуть стати сонаправленнимі цьому зовнішньому полю (як стрілка в компасі прагне стати сонаправленнимі магнітному полю землі). Спини не вирівнюються точно за цим напрямком, а знаходяться під деяким кутом до нього. Крім того магнітний момент починає обертатися навколо вектора напрямку зовнішнього впливу, це називається прецесією. Частота обертання відома як ларморовской частота.
Хоча більшість магнітних моментів вирівнюються в напрямку зовнішнього магнітного поля, деякі можуть вирівнюватися в протилежному напрямку. Спини протонів, вирівнюють в протилежному напрямку від зовнішнього поля, знаходяться на більш високих енергетичних рівнях. Формула Планка показує, що частота енергії, поглиненої спіном для переходу з нижчого на вищий енергетичний рівень, прямо пропорційна різниці енергій між рівнями. Це і є ларморовской частота.
Оскільки різниця енергій прямо пропорційна магнітної індукції зовнішнього поля, ларморовской частота теж визначається зовнішнім впливом В0.
Кількість спинив, що знаходяться на різних енергетичних рівнях, залежить від різниці енергій цих рівнів і температури системи і описується рапределеніе Гіббса, яке зіставляє кількість спінів на певному рівні до загальної їх кількості, енергію цього рівня і температуру. Це співвідношення може використовуватися для розрахунку популяцій спинив на різних енергетичних рівнях при заданому зовнішньому полі і температурі.
Узагальнення. Атомні ядра (протони в разі водню) мають спін, який орієнтований випадковим чином за відсутності зовнішнього впливу. При зовнішньому магнітному полі спини вирівнюються, причому протони, що знаходяться на різних енергетичних рівнях вирівнюються по-різному: або в напрямку зовнішнього поля, або в протилежному. Різниця енергій цих двох рівнів пропорційна магнітної індукції зовнішнього поля B0. Отже, відношення кількості різноспрямованих спинив і ларморовской частота також пропорційні B0.
Таким чином, при наявності зовнішнього поля, спини протонів можна уявити як два набори протилежно спрямованих векторів, прецессирует навколо вектора магнітної індукції зовнішнього поля. Частота прецесії є ларморовской частота. В МРТ зазвичай напрямок вектора магнітної індукції зовнішнього поля приймається за позитивну піввісь z. В процесі МРТ детектується середнє значення всіх магнітних моментів (спинив), т. Е. По суті сума векторів магнітних моментів, яка називається вектором сумарної намагніченості (net magnetization vector). Цей вектор направлений вздовж осі z, а його магнітуда пропорційна різниці популяцій протонів, що знаходяться на різних енергетичних рівнях.