核磁共振现象

2021-03-29 16:12:59 浏览:1679

定义

简单说,核磁共振是微观粒子中的原子核在磁场中发生能量变化的一种现象,其来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。

下面我们从三个关键词来分别解释:

1):是指原子核。原子核受核力影响由质子和中子(两种重子)组成。具有奇数质子或中子的核子,其内在的性质有核自旋及自旋角动量,核自旋会产生磁矩,这也是核磁共振现象的必要条件,即原子核必须能够发生自旋。简单来说质子的绕核运动会产生一个小磁场。

2):由于原子核携带电荷,当原子核自旋时,会由自旋产生一个磁矩,这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同,大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中,其磁矩在外部磁场作用下会发生进动,称拉莫尔进动,这一现象类似陀螺的旋转过程。拉莫尔进动具有能量也具有一定的频率,称为拉莫频率,而该频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定,也就是说,对于某一特定原子,在一定强度的的外加磁场中,其原子核自旋进动的频率是固定不变的。

ω=γ x B0

其中ω为角频率,γ为旋磁比,B0为磁感应强度。

3)共振:是指一物理系统在特定频率下,比其他频率以更大的振幅做振动的情形;这些特定频率称之为共振频率。在共振频率下,很小的周期振动便可产生很大的振动,因为系统储存了动能。当阻力很小时,共振频率大约与系统自然频率或称固有频率相等,后者是自由振荡时的频率。

核磁共振是指:自然状态下,所有小质子磁体都是随机指向的自旋体,磁性互相都抵消了,所以通常没有磁性。然而,当我们人为对这些质子施加外部磁场时,质子发生拉莫尔进动,且其进动频率与外磁场方向相同。相当于喊了一声“立正”,所有的这些小的自旋体都会按照主磁场方向排成队,这些顺着磁场方向排列的质子此时处于低能态,其中会有一小部分逆磁场方向排列,逆磁场方向排列的质子处于高能态。

当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后,就会发生能级跃迁,出现能极差,外磁场的能级分裂,即塞曼分裂,此时原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化,这些夹角并不是连续分布的,而是由原子核的磁量子数决定的,原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃,而不能平滑的变化,这样就形成了一系列的能级,这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。而在某种特定的原子核,在给定的外加磁场中,只吸收某一特定频率射频场提供的能量,这样就形成了一个核磁共振信号。

应用

磁共振成像(MRI,Nuclear Magnetic Resonance Imaging)

核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用,是利用核磁共振原理,依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的结构图像。人体内含有非常丰富的水,不同的组织,水的含量也各不相同,如果能够探测到这些水的分布信息,就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像,核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布,进而探测人体内部结构的技术。

参考文献

[1] 王逗.核磁共振原理及其应用[J].现代物理知识,2005(05):50-51.
[2] 张坤毅.核磁共振(MRI)的成像原理与临床应用[J].中国医疗设备,2008(05):101-103.
[3] Gadian D G. NMR and its applications to living systems[M]. Oxford: Oxford University Press, 1995.
[4] Günther H. NMR spectroscopy: basic principles, concepts and applications in chemistry[M]. John Wiley & Sons, 2013.

参阅:核磁共振、原子核、电磁、共振、塞曼分裂、拉莫尔进动

磁共振

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