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核磁共振基本原理

来源:飒榕旅游知识分享网


附件材料一 核磁共振基本原理

一、原子核的磁矩

核磁共振研究的对象是具有磁矩的原子核。原子核是由中子与质子组成。质子与中子数为偶数的核,其自旋量子数I=0,没有自旋现象。质子与中子数其中之一为奇数I≠0(质子数与中子数都为奇数的I=半整数),具有自旋现象。

I≠0的核有自旋运动,并且核带有一定的正电荷。这些电荷也围绕着自旋轴旋转,从而产生循环电流,循环电流就会产生磁场。因此凡是I≠0的原子核都会产生磁矩。I=1/2的原子核,类似于电荷均匀分布在表面的球体。而I=1或I等于1/2整数倍的原子核,电荷分布不是球形对称的,一般用原子核的电四极矩来度量原子核中电荷分布离开球形对称的程度。

二、核磁共振

根据量子力学理论,磁性核(I≠0)在外加磁场(B0)中的自旋取向不是任意的,而是量子化的,共有(2I+1)种取向。可由磁量子数m表示。m=1,I=-1,...(-I+1)、-I。如下图所示:

核的自旋角动量(P)在Z轴上的投影Pz也只能取不连续的数值。

(1)

与Pz相应的核磁矩在Z轴上的投影为μz, (2)

磁矩与磁场相互相用能为E,E=-μzB0 (3)

(4)

由量子力学的选律可知,只有△m=±1的跃迀才是允许跃迁。所以相邻两能级间的能量差为:

(5)

(5)式表明,△E与外加磁场B0的强度有关,△E随B0场强的增大而增大(见图2)

在B0中,自旋核绕其自旋轴(与磁矩μ方向一致)旋转,而自旋轴既与B0场保持一夹角θ又绕B0场进动,称Larmor进动(图3),类似于陀螺在重力场中的进动。核的进动频率由(6)式决定。

(6)

若在与B0垂直的方向上加一个交变场B1(称射频场),其频率为v1。当v1=v2时,自旋核会收射频的能量,由低能态跃迀到高能态(核自旋发生倒转),这种现象称为核磁共振吸收。由(5)式及△E=hv得:

(7)

同一种核,y为一常数,B0场强度增大,其共振频率v也增大。对于1H,当B0=1.4TG时,v=60MHZ;当B0=2.3TG时,v=100MHz(1TG=104高斯,1MHz=106赫兹)

B0相同,不同的自旋核因y值不同,其共振频率亦不同。如B0=2.3TG时,1H(100MHz),19F

(94MHz),31P(40.5MHz),13C(25MHz)

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