核磁共振是什么？

核磁共振是什么？

核磁共振（NMR）是指具有核磁矩的物质在磁场作用下发生能级分裂，并在合适频率的电磁场激励下发生能级跃迁，吸收并且重新发射电磁辐射的现象。具体什么频率的电磁波可以使原子核发生能级跃迁，这取决于分裂能级之间的能量差，而这个能量差又和外加磁场有关。在实际应用中，频率一般在60~1000MHz。NMR可以观察到一些特定原子核的磁学性质，因此可以用于分子物理、晶体学研究等等。当然我们熟知的还有用于医学的核磁共振成像。

基本原理想要让一个原子核发生核磁共振，需要以下几个步骤：

给原子核一个合适的竖直方向的磁场，使原子核在磁场下发生能级分裂，分别对应于自旋1/2和自旋-1/2；

通过加一个垂直方向（即水平面）的交变电磁场，如果电磁场的频率合适，则核将会吸收电磁场能量从低能级跃迁到高能级。

两个场之所以选成相互垂直，可以使核磁共振的强度最大。发生核磁共振之后，核自旋的磁矩就会发生一个变化，表现在宏观上是磁化强度的变化，这种变化可以被核磁共振谱仪探测到，从而展现为系统磁化强度随电磁场频率的变化。根据最后绘制出的图谱我们便可以判断出相应原子核的核磁共振频率。

研究历史核磁共振现象最开始由Rabi于1938年提出并进行了对分子束的相关核磁共振测量，他因此获得了1944年的诺贝尔物理学奖；1946年，Bloch和Purcell将此项技术扩展到了液体和固体，他们因此也一起分享了1952年的诺贝尔物理学奖。

图1. 为核磁共振做出贡献的三位科学家，从左到右依次是Rabi，Bloch，Purcell。

Rabi, Bloch和 Purcell观察到了把具有磁矩的原子核（比如1H和31P）放入磁场中时可以吸收射频辐射的能量，而对应于每一种特定的原子核，总是对应于一种特定频率的电磁辐射。这种现象允许我们可以通过测量共振频率研究分子中的化学成分或结构信息。

核磁共振谱学我们可以 根据核磁共振研究物质的结构、反应动力学、化学反应价态、分子所处的化学环境等等。下图是乙醇的核磁共振谱。其中横坐标为化学位移，纵坐标为信号强度。从图中可以看出乙醇分子中有三种不同化学环境的氢原子。

图2. 乙醇的核磁共振谱

核磁共振成像核磁共振成像（MRI）是一种医学成像技术，属于放射科，可用于人体器官或生理学过程的成像。在实际使用过程中需要用到强磁场和电磁辐射去实现人体组织成像。MRI没有用到X射线，需要和人们常常说的CT相区分。

图3. 先天性心脏病患者的心脏MRI

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