原子核的自旋与磁矩

原子核的自旋与磁矩1、原子核的自旋与磁矩所谓核磁共振是根据处在某个静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级间产生共振跃迁的原理而采取的一种新技术。自旋量子数I≠0的原子核要进行自旋运动，原子核的自旋运动用自旋角动量P来描述，P的方向与自旋铀重合。自施角动量P的数值，根据量子力学计算：()()1h12+=+=IIIIhPπ式中，h为普朗克常数。可见自施角动量的大小决定于核的自旋量子数。因I是量子化了的值，P值也是量子化的。普朗克常数的值约为：h=6.626×10-34J*S普朗克常数记为，是一个物理常数，用以描述量子大小。(马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。)这关系称为普朗克关系，用方程表示普朗克关系式，；其中，是能量，是普朗克常数，是频率。凡是自旋量子数不为零的原子核都会产生一个磁场，也就是说它们像一个小磁铁一样具有磁性质，一般用磁矩μ来描述这种磁性质。μ的方向垂直于循环电流的平面，并与自旋角动量P的方向重合。核磁矩μ与自旋角动量P成正比，即：Pγμ=式中，γ为核的磁旋比(又称旋磁比)，是核的特征常数，与核的运动无关。不同的原子核有不同的γ值。在原子核中有一些原于核（I=0、1/2）的电荷分布呈球形对称的。但是大多数原于核（I＞1/2）的电荷分布不是球形对称的，一般是用原子核的电四极矩QN来度量核中电荷分布离开球形对称的程度，其公式可写成：）（52Q22NabZe?=式中，b、a分别为椭球纵向和横向半径，Ze为球体所带电荷。QN＞0，则b＞a，相当于电荷分布是一个拉长了的椭球体。当QN＜0，则b＜a，相当于电荷分布是一个压扁了的椭球体。自然界共有约一百三四十种NMR核。I=1/2的核是球对称的，无电四极矩，对NMR特别重要，容易得到高分辨NMR谱和高质量的MR图像。如1H，13C，19F，31P，3He，129Xe等等。I1/2的核是椭球形的，有电四极矩，因为电四极矩与电场梯度相互作用相当强，对NMR干扰相当大，从而使NMR信号观察要困难得多。如23Na自旋I＝3/2，对人体成像也是常用的核，实验上要注意。说明：我们公司现在总代理的核磁共振主要以测量1H为主，具体情况如下：新西兰Magritek的核磁共振剖面仪（NMR-MOUSE）可以测量1H与19F，但需要不同的配置；2M岩心分析仪只能测量1H；台式核磁共振波谱仪则可以测量1H、13C、19F、31P，而且配置是相同的，只是测量需要开通各自的通道，因此价格也会产生差异（实际价格以开通的通道的计算）。德国PureDevice的两款磁共振成像仪均只可以测量1H，其竞争优势是成像分辨率高，以及方便二次开发。