磁共振方法磁共振

磁共振指固體在恒定磁場和高頻磁場同時作用下，當(dāng)恒定磁場與高頻磁場的頻率滿足一定條件時，該固體對高頻電磁場的共振吸收現(xiàn)象。

具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下都可能出現(xiàn)不同的磁共振。與電子磁性有關(guān)的主要有抗磁共振、順磁共振和鐵磁共振。

與核磁性有關(guān)的有核磁共振。各種磁共振既有共性又各有特性。其共性表現(xiàn)在基本原理和實驗方法類似，而特性則表現(xiàn)在各種共振有其產(chǎn)生的特定條件和不同的微觀機制。

與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。

電子繞其本身軸線自轉(zhuǎn)以及原子核的自旋都具有磁偶極矩（磁矩）。

按照量子力學(xué)規(guī)律，具有磁矩的原子和原子核在外加磁場中的能態(tài)是量子化的，即具有一系列的能級。在磁共振實驗中，把樣品放在強磁場內(nèi)，樣品內(nèi)原子的電子和核就處于不同的能級。

如果在垂直于磁場的平面內(nèi)再加一適當(dāng)頻率的交變?nèi)醮艌觯允蛊潇o磁場產(chǎn)生一些變化直至共振出現(xiàn)時，許多原子和核就會從共振磁場吸收能量而從低能級躍遷到高能級，此時在檢測系統(tǒng)中可測得樣品對高頻電磁能量的吸收Pa與磁場B（或頻率W）的關(guān)系，即磁場共振吸收曲線。

根據(jù)磁共振吸收曲線的共振線寬（相應(yīng)于最大共振吸收一半的磁場間隔）△B、共振吸收強度（最大共振吸收Pmax或共振曲線面積）和共振曲線形狀（包括對稱性和精細結(jié)構(gòu)等）等，可以獲得樣品性質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面的有關(guān)信息。

磁共振方法中所利用的磁共振主要有鐵磁共振、順磁共振、回旋共振、核磁共振、磁雙共振。鐵磁共振可用于研究鐵磁體中動態(tài)過程和測量磁性參量。

磁共振方法鐵磁共振

鐵磁有序物質(zhì)在恒定磁場B和高頻磁場b（ω）的同時作用下，滿足ω=γB的條件時，這鐵磁物質(zhì)對高頻電磁場產(chǎn)生的強烈吸收現(xiàn)象，稱為鐵磁共振，其中γ為鐵磁物質(zhì)的旋磁比，ω為高頻電磁場的角頻率。

廣義的鐵磁共振還包括其他強磁性有序（如亞鐵磁性）物質(zhì)的磁共振。

鐵磁共振是1946年英國物理學(xué)家J。Griffiths在金屬Fe，Ni和Co箔中發(fā)現(xiàn)的，隨后在鐵氧體及其他眾多的強磁性物質(zhì)中都觀測到了。

經(jīng)過多年的發(fā)展，鐵磁共振不但已成為研究強磁有序物質(zhì)中自旋系統(tǒng)運動和若干磁特性的重要方法，而且也是微波旋磁器件應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。

磁共振方法順磁共振

由于未成對電子的自旋產(chǎn)生的磁矩在磁場中吸收電磁波而產(chǎn)生電子磁能級躍遷的現(xiàn)象，稱為順磁共振，簡記作EPR。又稱為電子自旋共振，簡記作ESR。是1944年查沃斯基(Е.К.Завойский)發(fā)現(xiàn)的。

含有未成對電子的物質(zhì)(過渡金屬離子、自由基等)電子自旋磁矩不為零，具有順磁性。與核磁共振相類似，電子磁矩在磁場中方向量子化，此磁矩取向不同，電子的能量也就不同，因而產(chǎn)生不同的磁能級。當(dāng)外來電磁波的頻率和這些磁能級相當(dāng)時，電磁波被吸收，就會產(chǎn)生電子自旋共振即順磁共振。

由于分子中未成對電子的自旋-軌道偶合或自旋-自旋相互作用在電子順磁共振譜中可產(chǎn)生多重峰，被稱為精細結(jié)構(gòu)。由于核磁矩的影響，引起電子的磁能級分裂，因而電子順磁共振譜中的譜線也將分裂為多條譜線，稱為超精細結(jié)構(gòu)。順磁共振是研究具有未成對電子的物質(zhì)，如自由基、某些絡(luò)合物以及含有奇數(shù)電子的分子的有力工具。

磁共振方法核磁共振

在磁場中原子核對無線電波產(chǎn)生的影響。外界強磁場引起核子磁矩繞磁場方向發(fā)生進動，且根據(jù)量子理論，進動只沿某些特定的方向的發(fā)生。

從一個進動方向到另一個方向的變化涉及光子的吸收或發(fā)射，光子的頻率與進動頻率一致。在一定強度的穩(wěn)定磁場作用下，其輻射處于射頻波段。如果將射頻從一線圈連接到樣本，再用另一線圈進行測試，那么，隨著磁場強度的改變，輻射總是以特定的磁場值被吸收，其吸收值與磁場方向的頻率差相一致。

核磁共振譜由磁場強度對檢波器響應(yīng)的曲線圖構(gòu)成，可據(jù)以了解分子結(jié)構(gòu)和分子中電子的位置，這是由于沿軌道運行的電子覆蓋原子核并使之在不同磁場強度下產(chǎn)生共振之故。

順磁共振可用于研究固體的基態(tài)能譜以及固體中的相變、弛豫和缺陷等的動力學(xué)過程?；匦舱窨捎糜谘芯堪雽?dǎo)體和金屬的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量等。核磁共振可用于研究各種固體（包括無機、有機和生物大分子材料）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過程。磁雙共振由于可利用其中的一種磁共振來探測另一種磁共振，因而研究它們可獲得更多有用信息，如電子-核雙共振方法可用來測量超精細和特超精細分裂。

現(xiàn)在，磁共振方法已成為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)科學(xué)等廣泛領(lǐng)域的有效研究方法。2100433B

通常，當(dāng)外加恒定磁場Be在0.1～1.0T（材料的內(nèi)磁場BBe）時，各種與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。這是因為原子核質(zhì)量與電子質(zhì)量之比至少1836倍的緣故。雖然觀測這兩類磁共振分別應(yīng)用微波技術(shù)和無線電射頻技術(shù)，但其實驗裝置的組成與測量原理卻是類似的。磁共振實驗裝置由微波（或射頻）源、共振系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成，如圖3。微波（或射頻）源產(chǎn)生一定角頻率ω（或頻率掃描）的電磁振蕩，送到裝有樣品的共振系統(tǒng)（共振腔或共振線圈），共振系統(tǒng)中的高頻磁場bω[回旋共振時為電場E（ω）]與磁場系統(tǒng)產(chǎn)生的恒定磁場B 垂直，當(dāng)保持源的頻率不變而改變恒定磁場強度（磁場掃描），或保持恒定磁場強度不變而改變源的頻率（頻率掃描），達到共振條件ω=γH 時，檢測系統(tǒng)便可測得樣品對高頻電磁能量的吸收Pa與磁場B（或頻率ω）的關(guān)系，即共振吸收曲線,如圖4a。在共振信號微弱（例如核磁共振或順磁共振）的情況下，可以采用調(diào)制技術(shù)，測量共振吸收微分曲線，以提高檢測靈敏度。磁共振的重要參數(shù)是發(fā)生最大共振吸收的共振磁場Bo、共振線寬（相應(yīng)于最大共振吸收一半的磁場間隔）ΔB、共振吸收強度（最大吸收P或共振曲線面積）和共振曲線形狀（包括對稱性和精細結(jié)構(gòu)等）。當(dāng)共振曲線為洛倫茲線型時，共振微分曲線的極值間隔ΔBpp與共振線寬ΔB具有簡單的關(guān)系：。在采用頻率掃描代替磁場掃描時，相應(yīng)的共振曲線和參數(shù)中的磁場B都換為角頻率ω，如共振頻率ωo，共振線寬Δω等。在特殊情況下，還可以采用脈沖源、傅里葉變換、多次累積等技術(shù)來提高靈敏度或分辨率等。

磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的。1945年首先在順磁性Mn鹽的水溶液中觀測到順磁共振，第二年，又分別用吸收和感應(yīng)的方法發(fā)現(xiàn)了石蠟和水中質(zhì)子的核磁共振；用波導(dǎo)諧振腔方法發(fā)現(xiàn)了Fe、Co和Ni薄片的鐵磁共振。1950年在室溫附近觀測到固體Cr2O3的反鐵磁共振。1953年在半導(dǎo)體硅和鍺中觀測到電子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后從理論上預(yù)言和實驗上觀測到亞鐵磁共振。隨后又發(fā)現(xiàn)了磁有序系統(tǒng)中高次模式的靜磁型共振（1957）和自旋波共振（1958）。1956年開始研究兩種磁共振耦合的磁雙共振現(xiàn)象。這些磁共振被發(fā)現(xiàn)后，便在物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科和微波技術(shù)、量子電子學(xué)等新技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如順磁固體量子放大器，各種鐵氧體微波器件，核磁共振譜分析技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)及利用磁共振方法對順磁晶體的晶場和能級結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和生物分子結(jié)構(gòu)等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數(shù)的測定也是以各種磁共振原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。

磁共振成像技術(shù)由于其無輻射、分辨率高等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)研究。一些先進的設(shè)備制造商與研究人員一起，不斷優(yōu)化磁共振掃描儀的性能、開發(fā)新的組件。例如：德國西門子公司的1.5T超導(dǎo)磁共振掃描儀具有神經(jīng)成像組件、血管成像組件、心臟成像組件、體部成像組件、腫瘤程序組件、骨關(guān)節(jié)及兒童成像組件等。其具有高分辨率、磁場均勻、掃描速度快、噪聲相對較小、多方位成像等優(yōu)點。