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一、核磁共振仪?的工作原理是什么??工
核磁共振仪的工作原理主要基于原子核的自旋性质以及原子核与外磁场的相互作用。具体原理如下：
原子核的自旋：
- 某些原子核，如氢和碳，具有自旋量子数I，这决定了它们在磁场中的行为。
- 自旋的核在磁场中会经历进动，其频率与外磁场强度紧密相关。
核磁共振现象：
- 当电磁波的频率与自旋核的能级差相匹配时，核会吸收能量并跃迁到高能态，这个过程就是核磁共振。
- 1H的核磁共振是研究最广泛的，其自旋量子数I=1/2，具有两个能量状态。
核磁共振仪的组成与工作原理：
- 现代核磁共振仪主要有连续波和脉冲傅里叶两种形式。
- 连续波核磁共振仪由磁铁、射频发射器、检测器等组成，通过扫描或改变磁场强度，找到与原子核进动频率匹配的电磁波，从而产生核磁共振信号。
- 脉冲傅里叶核磁共振仪则推动了13C等低丰度核的研究发展。
核磁共振谱的应用：
- 通过测量不同原子核的核磁共振谱，可以获得化学位移、偶合常数和积分曲线等信息。
- 这些信息有助于推测质子在分子中的位置，进而分析物质的化学结构和性质。
二、核磁共振是什么东西?有什么用?
核磁共振现象源自原子核自旋角动量在外加磁场中的进动。依据量子力学原理，原子核的自旋角动量取决于其自旋量子数，不同原子核的自旋量子数各不相同。质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0；质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数；质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。目前，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才可被利用，其中最常见的有1H、11B、13C、17O、19F、31P。
原子核因携带电荷，在自旋时会产生一个磁矩，该磁矩的方向与原子核自旋方向一致，其大小与自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若磁矩方向与磁场不同，则磁矩会绕磁场方向旋转，这被称为进动，类似于陀螺的旋转轴摆动。进动具有特定频率，频率由磁场强度和原子核性质决定，对于特定原子，在特定磁场强度下，其进动频率固定。
原子核进动的能量取决于磁场、磁矩和磁矩与磁场的夹角。量子力学表明，磁矩与磁场之间的夹角由磁量子数决定，磁矩方向只能在这些磁量子数之间跳跃，形成一系列能级。当原子核在外加磁场中接受能量输入时，会发生能级跃迁，即磁矩与磁场夹角变化。这种能级跃迁是核磁共振信号的基础。
为了实现原子核进动的能级跃迁，需提供跃迁所需能量，通常通过外加射频场实现。当射频场频率与原子核进动频率相同时，能量能有效被吸收，为能级跃迁提供助力。因此，特定原子核在给定磁场中只吸收特定频率的射频场能量，从而形成核磁共振信号。
红外光谱（infraredspectra）是一种反映红外射线与物质相互作用的谱图，按波长或波数分为近红外光谱（0.8～2.5微米）、中红外光谱（2.5～25微米）和远红外光谱（25～1000微米）。红外光谱分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱主要由物质温度和化学组成决定，吸收光谱则由物质吸收红外射线形成。每种分子都有独特红外吸收光谱，是一种分子光谱。分子红外吸收光谱为带状光谱，原子红外光谱为线状光谱。
量子场论或量子电动力学准确描述了红外射线（一种电磁辐射）与物质的相互作用。若采用半经典理论处理方法，即对分子和原子作为量子力学体系，辐射场视为经典电磁波并忽略其光子特性，则分子红外光谱源于分子不断振动和转动。
分子振动是指分子原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可形成多种振动模式。当孤立分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称为简正振动。含N个原子的分子应有3N－6个简正振动方式；线性分子只有3N－5个简正振动方式。分子转动指的是分子绕质心的运动。分子振动和转动的能量量子化，当分子由一种状态跃迁至另一种状态时，需吸收或发射相应能量的光。
核磁共振有没有核辐射？它背后是哪些物理原理
2022-03-06 20:06·中科院物理所
核磁共振成像是医学中应用最广泛的成像方法之一，由于担心人们认为其名称中的“核”与核辐射有关，因此将它重命名为磁共振。事实上，这个“核”与核辐射无关，只是用来描述产生共振的原子核，更准确来说应该是原子核的旋转。1940年代，费利克斯·布洛赫和爱德华·珀赛儿已经发现了核磁共振现象，并在1952年获得了诺贝尔物理学奖。1977年，在美国纽约第一次使用这种技术进行人体扫描。
核磁共振简介如果将原子核放入与时间无关的磁场中，它就会有一种特定的共振频率。这种频率取决于原子核的类型，以爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔命名，称为拉莫尔频率。原子核在磁场中一般是不旋转的，但如果我们再让电磁波以正确的共振频率穿过原子核，那么原子核将吸收电磁波的能量，开始旋转起来。当电磁波停止后，原子核会慢慢停止旋转并释放它从电磁波提取的能量，我们可以对这种能量进行测量。我们测量到有多少能量取决于有多少原子核与电磁波共振。因此，我们可以利用信号强度来判断样本中有多少特定类型的原子核。对于人体中的核磁共振成像，通常以氢核为目标，因为其中水和脂肪中有很多，然后图像的亮度基本上可以告诉我们脂肪和水的数量。人们也可以瞄准其它原子核并进行测量，这就导致了不同核磁共振图像的工作方式不同。核磁共振成像非常适合于检查软组织，而对于骨折一般则使用X射线成像。
物理原理更详细地说，核磁共振的物理原理如下。原子核由中子和质子组成，中子和质子的自旋相结合为原子核提供总自旋。总自旋可能为零也可能不为零，具体取决于原子核中质子和中子的数量。如果原子核的自旋不为零，则原子核具有磁矩，这意味着它将在磁场中以取决于原子核成分和磁场强度的频率自旋，这就是核自旋共振工作的拉莫尔频率。如果有在强磁场中自旋的原子核，那么它们的自旋将与磁场对齐。假设我们有一个指向z方向的恒定且均匀的磁场，那么核自旋也将优先指向z方向。然而，由于热运动的存在，这会出现一些偏差，有一些原子核的自旋方向甚至与z方向相反。所有原子核的净磁矩称为磁化强度，它最终将指向z方向。在核磁共振机器中，z方向一般是从头到脚的方向。如果此时我们施加一个以共振频率振荡的横向电磁场，那么磁化就会远离z轴围绕z方向旋转，或者称之为在x和y的横向上进动。这个共振频率就是我们前面所提到的拉莫尔频率，它取决于原子核的类型，并且与磁场强度成正比。
最后上述提到，共振频率与磁场强度成正比，正因为如此，我们可以使用磁场梯度来瞄准特定位置的原子核，生成不同位置的身体切片图像。核磁共振使用的磁场非常强，通常是1.5-5个特斯拉。相比之下，这大约是地球磁场的几万倍，仅比大型强子对撞机所用磁场的强度低2-3倍。这些强磁场不会伤害你的身体，你只需要确保不要将磁性材料带入仪器中就行。适合这些强磁场的共振频率在50到300Mhz的频率范围内，使用这些频率的电磁波能量太小，并不会破坏人体的化学键，因此是安全的。然而，有少量能量通过热运动沉积到人体组织中，因此我们会感觉到稍微发烫，所以我们必须注意不要做太长时间的核磁共振。
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不代表中科院物理所立场
来源：万象经验编辑：云开叶落
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