DOC《磁共振技术》

磁共振技术 前言具有磁矩的粒子,例如原子核或电子,在稳恒磁场中对射频或微波电磁辐射产生共振吸收现象,称为磁共振.

它是研究物质与电磁场相互作用,了解物质的微观结构的重要手段之一,这是物理实验的一个重要分支.由于磁共振方法具有能深入物质内部,而又不破坏品本身,并且具有迅速、准确、分辨率高等优点,因此,它发展很快,在物理、化学、生学、医学及它们的边缘学科中具有广泛的应用.另一方面,磁共振对磁场的精密测量也供了新的技术,做出了重要的贡献. 磁共振有多种形式,共振机理也有区别,例如核磁共振,电子自旋共振等,但基本原理和实验方法有许多相似之处.磁共振的理论有经典和量子两种,它们都能说明磁共振现象的本质,下面主要对量子理论给予简要介绍. 现以核磁共振为例加以说明.根据量子力学,核角动量由下式决定: (1) 其中,为核自旋量子数,可取, 为普朗克常数.又核自旋磁矩与的关系为 (2) 称旋磁比.现以氢核为例,式(2)可写为 或(3) 式中,为质子电荷,为质子质量,为朗德因子,焦耳/特斯拉,称核磁子. 当氢核处在外磁场中,磁矩在外磁场方向上的投影是量子化的,只能取下列数值, (4) 称磁量子数.磁矩在静磁场中具有势能为 (5) 对氢核,,

故,即分裂为两个能级,称塞曼能级,如图1(a)所示.两能级的能量差为 (6) 显然,其能量差与外磁场的大小成正比,见图1(). 由量子力学选择定则,只有,两个能级之间才能发生跃迁,上述塞曼能级之间是满足跃迁选择定则的. 现加一频率为的高频磁场,垂直于,当电磁波能量子与塞曼能级间隔相等时,即(7) 或(8) 则氢核将吸收能量子,从低能级()跃迁到高能级(),这就是核磁共振吸收现象. 实际上,实验样品并非单个核,而是由大量核组成的.在热平衡时,处于每一能级的核子数目应服从玻尔兹曼分布. 对于和两个能级,它们的核子数目分别为和,有(9) 当时,有(10) 式中,为玻尔兹曼常数,为绝对温度,对氢核,在室温(设),外磁场特斯拉时, 得(11) 这说明两能级的粒子数目相差是很小的.在电磁波激励下,上下能级之间相互跃迁是等几率的,由下往上吸收量子,由上往下放出能量.但由于,所以总的效果表现为样品对高频磁场能量的吸收.由于十分接近于l,未被抵消的吸收能量是很小的,所以核磁共振信号十分微弱. 在能级跃迁过程中,减小,增加,当时,就观察不到共振吸收信号了.然而,由于核与周围环境的自旋一自旋相互作用和自旋一品格相互作用,发生能量交换,使处于上能级的核丧失能量,回到下能级.当静磁场变化足够慢或高频磁场频率变化足够小时,即在合适的驰豫时间和情况下,在实验中可以连续地观察到共振吸信号. 若要核磁共振信号强,上、下能级核子数目相差越大越好.由式(10)可以看出,磁场越大,越大,磁共振现象越明显. 另外,除了需要强磁场外,还要求在样品范围内磁场高度均匀,否则样品内各部分的共振频率不同,对某个频率的电磁波,只有极少数核参与共振,结果信号为噪声干扰所淹没,难以观察到共振信号.核磁共振磁场均匀度要求在以上. 核磁共振(NMR)实验 1946年,布洛赫(Bloch)和珀塞尔(Purcell)分别用感应法和吸收法观察到宏观物体核磁共振现象,为此,他们荣获1952年诺贝尔奖.从此,核磁共振成为人们研究物质微结构的重要方法,并获得广泛的应用.目前,核磁共振技术已成为精确测量磁场的重要方法,核磁共振成像技术也已成为医学诊断的有力工具.