核磁共振及其应用

核磁共振及其应用 发布范围：公开 2010-02-03 16:26 核磁共振现象是由美国科学家柏塞尔(E.M.Purcell)和瑞士科学家布洛赫(E.Bloch)于1945 年12 月和1946 年1 月分别独立发现的。他们共享了1952 年诺贝尔物理学奖。 核磁共振(nuclear magnetic resonance)是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件时所发生的共振吸收现象，是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于核信息的技术。50 多年来，由核磁共振转化为探索物质微观结构和性质的高新技术已取得了惊人的进展。目前，核磁共振已在物理学、化学、材料科学、生命科学等领域得到广泛应用。 如同电子具有自旋角动量和自旋磁矩一样，核也具有自旋角动量和自旋磁矩。核自旋即是原子核内所有 核子的自 旋 角 动量与轨道角 动 量的矢量和，其大小，其中I 为核自旋量子数。 在外磁场方向(设磁场沿z 方向)的投影为，称为核自旋磁量子数,I 一定时，有(2I +1)个取值。 自旋不为零的原子核有磁矩，它与核自旋的关系为，式中为质子的质量，称为核的朗德因子，它取决于核的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。于是，旋磁比。 核磁子在外磁场(沿z 轴 )方向的投影 , 其中 称作核磁子。通常将取最大值 I 时的称为核的磁矩，记作 (1) 这磁矩在空间的可能取向如图 2 所示，它位于核磁矩在外磁场(沿 z 轴)中旋进的锥面上。磁矩与磁场的相互作用能为 （2） 由于同一 I 下有(2I +1)个值，因而原来得一个核能级附加上相互作用能，将会有(2I +1)个能量值，称为为子能级。相邻两个子能级的能量差(因其值相差为 1)为 (3) 例如，氢核的基态核能级，在恒定磁场中的分裂情况如图 3 所示。 已知核磁矩在外磁场的作用下旋进，可以求得其旋进角速度为，若再在垂直于的方向加一个频率在射频范围的交变磁场 B (如图 4 所示)，当其频率与核磁矩旋进频率一致时，便产生共振吸收；当射频场被撤去后，磁场又把这部分能量以辐射形式释放出来，这就是共振发射。这共振吸收和共振发射的过程称为核磁共振。 由于相邻两个能级对应的核自旋磁量子数的改变量， 因而只有在相邻两个能级间的跃迁才是允许的。于是，交变磁场的频率所对应的能量应等于相邻子能级的能量差，由(3)式可得，所以发生核磁共振的条件应是 ，（4） 利用量子力学的理论不仅能够算出共振频率，而且能够算出对于不同频率的净吸收能量，从而确定吸收曲线的形状。净吸收能量取决于两个能...