磁共振方法

電子繞其本身軸線自轉以及原子核的自旋都具有磁偶極矩（磁矩）。

按照量子力學規(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)再加一適當頻率的交變?nèi)醮艌?，以使其靜磁場產(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構等）等，可以獲得樣品性質(zhì)和結構方面的有關信息。

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過程?；匦舱窨捎糜谘芯堪雽w和金屬的能帶結構、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）的結構、化學鍵、相變和化學反應等過程。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、化學、生物學以及材料科學、醫(yī)學科學等廣泛領域的有效研究方法。2100433B

磁共振指固體在恒定磁場和高頻磁場同時作用下，當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。與電子磁性有關的主要有抗磁共振、順磁共振和鐵磁共振。

與核磁性有關的有核磁共振。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。

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用的物理基礎。

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。當外來電磁波的頻率和這些磁能級相當時，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，被稱為精細結構。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，稱為超精細結構。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的曲線圖構成，可據(jù)以了解分子結構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。

通常，當外加恒定磁場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用微波技術和無線電射頻技術，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，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構等）。當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具有簡單的關系：。在采用頻率掃描代替磁場掃描時，相應的共振曲線和參數(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技術發(fā)展的基礎上被發(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的方法發(fā)現(xiàn)了石蠟和水中質(zhì)子的核磁共振；用波導諧振腔方法發(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、生物等基礎學科和微波技術、量子電子學等新技術中得到了廣泛的應用。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和核磁共振成像技術及利用磁共振方法對順磁晶體的晶場和能級結構、半導體的能帶結構和生物分子結構等的研究。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發(fā)展起來的。

磁共振成像技術由于其無輻射、分辨率高等優(yōu)點被廣泛的應用于臨床醫(yī)學與醫(yī)學研究。一些先進的設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。