核磁共振

核磁共振的吸收或发射电磁辐射受电子或原子核的作用而产生一定的反应磁场．磁性原理共振在实验室中用于分析物质的原子和核性质。

电子自旋共振1944年，苏联物理学家扎沃斯基(Y.K. Zavoysky)在对铁族元素盐的实验中首次发现了ESR。ESR使一些现象的研究成为可能，如赋予某些晶体颜色的结构缺陷，液体和固体样品中自由基的形成和破坏，金属中自由电子或传导电子的行为，以及亚稳态的性质(激发态是长期存在的，因为能量转移不发生辐射)在分子晶体中。

核磁共振质子的核磁共振(NMR)首次被观察到美国1946年菲利克斯•布洛赫，威廉·w·汉森，马丁·e·帕卡德，爱德华·m·珀塞尔，罗伯特·v·庞德和亨利·c·托里独立撰写。科学家们很快就在几乎所有核矩大于零的稳定核(约100种)中观察到核磁共振。后来的核磁共振发现包括电四极效应;金属中核磁共振频率的重要转变;以及由于化学结构的变化和一个原子核的影响而导致的液体中能级的分裂自旋在另一个。

粒子:围绕自己旋转的物质粒子轴或者在一个轨道上围绕某个外部点运动，就像一个陀螺仪:它抵抗倾向于改变其状态的力运动．这种阻力的测量方法是机械阻力角动量，这取决于粒子的质量，它的大小或它的轨道，和角速度(单位时间内转数)。角动量由一个沿旋转轴方向的矢量表示。一个电荷在这样的运动中产生磁场用磁力矢量表示强度和方向μ．这个矢量与电荷的大小成正比(而不是粒子的质量)，测量电荷的旋转轴与外部磁场方向对齐的趋势。同时具有质量和电荷的粒子的运动是特征通过这两个向量，它们是共线的，但方向可能相反，这取决于电荷的符号。

如果把一块不旋转的条形磁铁放在磁场中，它的北极会寻找磁场的南极，它就会静止，自身的磁场与外部的磁场对齐。工作将需要改变其方向;这意味着系统可以存储势能．因此，与磁体相关的能量取决于它的磁矩、外部磁场的强度以及磁体的磁矩方向与外部磁场方向之间的夹角。

在图1磁向量μ一个旋转的带电粒子被描述为沿着旋转轴。周围的磁场(用矢量表示H)施加一个力矩，趋向于带来μ而且H对齐，但这个力矩也与角动量矢量相互作用;这种相互作用的效果是使自转轴(和磁矩矢量)经历所谓的拉莫尔进动，即描述一个关于磁场方向的锥。根据经典电动力学频率（ω_l拉莫尔进动(矢量每秒旋转的次数)μ关于矢量H)应与方向角(θ)．但是根据量子力学时，单个粒子的取向角只能假设某些离散值，因为粒子的角动量必须为积分角动量基本单位的倍数。因此，在磁场中旋转的带电粒子占据了有限的一组离散磁能态之一。

在磁共振装置中，弱振荡场(H’)叠加在一个强常数场(H)，详见图1，其矢量以角速度(ω)在垂直于强磁场方向的平面上。如果旋转速率(ω)弱者叠加场与拉莫频率(ω_l)时，两个旋转场将不相;在完整的旋转过程中，粒子的轴将被叠加的旋转场依次吸引和排斥，并且只会轻微摆动。然而，当它们同步时，一个稳定的力将作用在轴上。在这种被称为共振的情况下，粒子的取向角(以及与之相关的磁能态)会突然改变。当系统提升到更高的状态时，能量从叠加场中提取，反之亦然。利用振荡场产生共振有时被称为“驱动共振”。

磁共振的每一个实验都涉及到探测共振，即，确定这种转变已经发生了。磁共振(MR)利用电磁探测，在跃迁中释放或吸收的能量正是所测量的能量。磁共振成像中谱仪（图2)，从叠加场中提取的能量量被连续测量并记录在条形图上，而场的频率则缓慢变化。由此产生的记录，或频谱，通常是一条直线，表明样品没有吸收能量被共振频率的峰值打破。在典型的实验条件下，这些峰是如此狭窄(因为共振是非常尖锐的调谐)，他们出现的线垂直于平坦的痕迹获得的非共振频率范围。这些所谓的磁共振谱线只是粗略的类似的到光谱中观测到的吸收和发射线。由于自旋之间的关系以及与样品其他自由度的关系，在体物质中解释MR相当复杂。然而，这种复杂性对磁共振来说是一种优势，而不是劣势，因为正是这些相互作用的存在，使得磁共振成为研究体物质的杰出工具。

在很多种类的原子中电子是成对的；也就是说，自旋方向相反，因此中和，没有净自旋角动量或磁矩。在其他种类的原子中，有一个或多个电子不是成对的，因此这些原子中的任何一个都有可能获得或失去各种电子量子能量的倍数。同样的现象也发生在许多种类的原子核中，因此原子核可以处于不同的磁能态。

对于几千高斯量级的磁场(高斯是磁强度的单位;的水平强度地球磁场约为0.2高斯)用于MR光谱仪，NMR频率属于射频或广播范围，而ESR频率出现在微波或雷达范围。例如，10千高斯场中的质子核磁共振频率为42.58兆赫，而在同一场中自由自旋的ESR频率为28000兆赫。磁自旋数磁可探测到的自旋数共振随应用领域、温度、样品性质以及核磁共振的核种类而有很大变化;在最好的条件下，它可以低至10¹⁸核磁共振自旋和10¹⁰ESR的自旋。