Заряженная частица имеет собственный механический момент (спин). Спин электрона обозначают через s, спин ядра – через I, проекцию спина на ось в пространстве через ms = ±1/2 (спиновое квантовое число электрона) и проекцию спина ядра через mI = ±1/2 (ядерное спиновое квантовое число). Магнитный момент частицы связан со спином соотношениями:
ms = -gsbss (для электрона)
mI = gIbII (для ядра),
где g — фактор спектроскопического расщепления (электронный, ядерный) – мера эффективного магнитного момента, называемый обычно g - фактором; b - магнетон Бора, ядерный магнетон.
Магнетоном называют единицу измерения магнитного момента, которую иногда рассматривают как «квант» магнитного момента системы. Магнетон Бора используется при описании магнитных свойств электрона. У свободного электрона магнитный момент равен одному магнетону Бора, а g-фактор равен 2,0023.
Масса протона больше массы электрона, поэтому магнитный момент ядра меньше магнитного момента электрона магнитное поле электрона примерно на три порядка превышает поле ядра. В отсутствие магнитного поля спиновые энергетические состояния электрона вырождены, т. е имеют одно и то же значение энергии. При наложении постоянного магнитного поля с напряженностью Н, ее магнитный момент взаимодействует с полем с энергией
E=-mH
Вырождение снимается и появляются два энергетических уровня - это выражается в расщеплении уровней энергии в магнитном поле (эффект Зеемана): для электрона в методе ЭПР (верхний уровень, т.е более высокий по значению энергии, имеющий спин ms= +1/2(a) и нижний со спином ms= -1/2(b)) а для ядра в методе ЯМР наоборот верхний уровень имеет спин mI= -1/2 (a) нижний mI= +1/2 (b). Возникает магнитный резонанс, вследствие переходов частицы из нижнего энергетического состояния в более высокое. Разность энергий DЕ в этих состояниях составляет