[拼音]:cigongzhen

核磁共振

在恒磁场和高频磁场(回旋共振中的高频电场)的同时作用下，当恒磁场的强度和高频磁场的频率满足一定条件时，固体对高频电磁场产生共振吸收现象。固体磁共振(NMR)是20世纪中期发展起来的一项新技术。它是研究固体物质结构和动态过程的重要方法，也是固态电子学和量子电子学中若干应用的物理基础。

发展简史

磁共振是在固体量子理论和无线电微波电子学发展的基础上发现的。1945年，在顺磁性锰盐水溶液中首次观察到顺磁共振现象。第二年，分别用吸收法和感应法发现了石蜡和水中质子的核磁共振。用波导腔法发现了铁、钴和镍薄片的铁磁共振。1950年在室温附近观察到固体Cr2O3的反铁磁共振。1953年在半导体、硅和锗中观察到电子和空穴的回旋共振。铁磁共振在1953年和1955年进行了理论预测和实验观测。随后，发现了磁有序系统中高阶模的静磁共振(1957)和自旋波共振(1958)。1956年开始研究双磁共振耦合双磁共振现象。自发现以来，磁共振已广泛应用于物理、化学和生物学等基础学科，以及微波技术和量子电子学等新技术。如顺磁固体量子放大器、各种铁氧体微波器件、核磁共振波谱学和核磁共振成像技术，以及利用磁共振方法研究顺磁晶体的晶体场和能级结构、半导体能带结构和生物分子结构等。在各种磁共振原理的基础上，原子核和基本粒子的自旋和磁矩参数的测定也得到了发展。

原则

磁共振(除回旋共振外)的经典现象学描述是：原子、电子和原子核都有角动量，磁矩与相应角动量的比值称为磁旋转比。磁矩M受到磁场B中的转矩MBsin(是M与B之间的夹角)的作用。这个转矩使磁矩绕磁场进动。进动的角频率为=B， 0称为拉莫尔频率。由于阻尼作用，这种进动运动衰减很快，即M与B平行时，进动停止。然而，如果在磁场b的垂直方向上加一个高频磁场b()(角频率为)，则b()的作用产生的转矩使M远离b，这与阻尼的作用相反。如果高频磁场的角频率等于磁矩进动的拉莫尔(角)频率= 0，则b()的作用最强，磁矩进动角M (M与角b之间的夹角)也最大。这种现象被称为磁共振。

磁共振(NMR)也可以用量子力学来描述：恒定的磁场B使磁性自旋的基态能级发生分裂，而这种分裂能级称为塞曼能级(参见塞曼效应)，当自旋量子数S=1/2时，发生分裂墹E=g mu BB, g为朗德因子，为玻尔磁子，E和me为电子的电荷和质量。沿垂直于B的高频磁场B ()，其光量子能量为啚。如果等于塞曼能级分裂，mu BB啚=g=啚gamma B，即=gamma B(啚=h/2 PI, h为普朗克常数)，自旋系统将吸收能量从低能级状态跃迁到高能级状态(激发态)，这称为塞曼能级跃迁之间的磁共振。量子描述的磁共振条件=B与现象学描述相同。

当M是顺磁体中的原子(离子)磁矩时，这种磁共振就是顺磁共振。当M为铁磁体的磁化强度(单位体积磁矩)时，该磁共振为铁磁共振。当M=Mi为铁磁体或反铁磁体中第i个磁亚晶格的磁化强度时，则磁共振为第i个耦合磁亚晶格系统产生的铁磁共振或反铁磁共振。当M是物质的核磁矩时，它就是核磁共振。这些核磁共振是由自旋磁矩产生的，可以用经典的现象学陀螺磁方程dM/dt= mbsin(对应的矢量方程为dM/dt= (MB))来统一描述。

回旋共振带电粒子在恒定磁场中的共振。设一个电荷为q，质量为m的带电粒子以速度v在恒定磁场B中运动，当磁场B与速度v相互垂直时，带电粒子将受到磁场产生的洛伦兹力的作用，使带电粒子以速度v绕磁场B旋转，旋转的角频率称为回旋频率。如果在垂直于B的平面上加一个高频电场E()(电场的角频率)，=c，则带电粒子将受到电场E()的周期性加速。因为这与回旋加速器的作用类似，所以被称为回旋加速器共振。它也被称为反磁共振，因为它类似于没有高频电场的抗磁性。当v垂直于B时，描述共振运动的方程为d(mv)/dt=q(vB)。如果用量子力学图像来描述，回旋共振可以看作是高频电场在磁场中引起带电粒子运动状态所产生的朗道能级之间的跃迁。谐振跃迁的条件如下：

所以等于c。

在恒磁场作用下各种固体磁共振的平衡态与恒磁场与高频磁场(回旋共振中的高频电场)同时作用下的平衡态之间，一般存在着固体中的自旋(磁矩)体系(回旋共振中的载流子体系)本身与晶格体系之间能量传递和再分配的过程。它被称为磁共振弛豫过程，简称磁弛豫。在自旋磁共振的情况下，磁弛豫包括自旋(磁矩)系统中的自旋-自旋(S-S)弛豫和自旋系统与晶格系统之间的自旋-晶格(S-L)弛豫。弛豫过程中从一个平衡态到另一个平衡态所经历的时间称为弛豫时间，它是能量转移或损失速率的量度。共振线宽表示能级宽度，弛豫时间表示能级寿命。磁共振线宽与磁弛豫过程(时间)密切相关。根据测不准原理，能级宽度与能态寿命的乘积是一个常数，即共振线宽度与弛豫时间(能量转移率)成反比。因此，磁共振是研究磁松弛过程和磁损失机理的重要方法。

实验方法

一般情况下，当外部恒定磁场Be在0.1 ~ 1.0T(材料内部磁场BiBe)之间时，各种与电子相关的磁共振频率处于微波频段，而核磁共振频率处于射频频段。这是因为原子核的质量与电子的质量之比大约是103倍。虽然两种类型的磁共振分别使用微波和射频技术进行观测，但实验装置的组成和测量原理是相似的。磁共振实验装置由微波(或射频)源、共振系统、磁场系统和检测系统组成，如图3所示。微波(或射频)源产生一定角频率(或扫频)的电磁振荡，送入含有样品的谐振系统(谐振腔或谐振线圈)。谐振系统中的高频磁场b[电场E()]垂直于磁场系统产生的恒定磁场b。当恒定磁场强度(磁场扫描)不变而源频率不变，或恒定磁场强度(频率扫描)不变而源频率不变，且达到谐振条件=H时，检测系统可以测量样品对高频电磁能的吸收Pa与磁场B(或频率)的关系，即共振吸收曲线，如图4a所示。在弱共振信号(如核磁共振或顺磁共振)的情况下，可采用调制技术测量共振吸收微分曲线，提高检测灵敏度。磁共振的重要参数是发生最大共振吸收的共振磁场Bo、共振线宽(最大共振吸收一半对应的磁场间隔)B、共振吸收强度(最大吸收P或共振曲线面积)和共振曲线形状(包括对称性和精细结构等)。当共振曲线为洛伦兹线性时，共振微分曲线的极值区间Bpp与共振线宽B:有简单的关系。当用频率扫描代替磁场扫描时，对应的共振曲线和参数中的磁场B用角频率代替，如共振频率o，共振线宽等。在特殊情况下，可以采用脉冲源、傅立叶变换、多重积累等技术来提高灵敏度或分辨率。

分类

具有不同磁性能的物质在一定条件下可能具有不同的磁共振。物质的磁性及其对应的磁共振如下：

各种磁共振既有共性又有特点。其共性表现在基本原理可以统一现象学描述，而其特征表现在每种共振都有其特定的条件和不同的微观机制。回旋共振来自载流子在轨道磁能级之间的跃迁，其激发场为垂直于恒磁场的高频电场，而自旋磁共振的其他激发场均为高频磁场。由于核磁矩比电子磁矩小约三个数量级，因此核磁共振的频率系统和灵敏度都比电子磁共振低得多。弱磁性材料的磁矩远低于强磁性材料，因此弱磁共振的灵敏度低于强磁共振，但强磁共振必须考虑强磁矩引起的退磁部位的影响。

下面介绍几种主要的磁共振技术。

铁磁磁体中原子磁矩之间的交换导致这些原子磁矩在每个畴中自发地平行排列。一般情况下，在铁磁共振的情况下，铁磁体已被外部恒定磁场饱和磁化，即彼此平行的原子磁矩(饱和磁化Ms)参与铁磁共振的进动运动。铁磁谐振的这一特性造成的主要影响有：铁磁的退磁场成为影响谐振的重要因素，因此必须考虑谐振样品形状的影响。铁磁体内的交换场与磁矩平行，磁转矩为零，因此对共振没有影响。磁晶体在铁磁场中的各向异性对共振有影响。可以认为在磁矩附近易磁化方向存在磁晶体各向异性的有效场。在特殊情况下，如高频磁场不均匀时，会激发铁磁耦合磁矩系统的多种进动模式，即各原子磁矩的进动幅度和相位不同的非均匀进动模式，称为非均匀(铁磁)共振。当相邻原子在非均匀进动中磁矩之间的交换可以忽略不计，且样品线性度小到足以使传播效应可以忽略不计时，这种非均匀共振称为静磁共振。当相邻原子在非均匀进动中的磁矩交换不可忽略时(如在金属薄膜中)，这种非均匀共振称为自旋波共振。当高频磁场强度超过阈值时，共振曲线和参数与高频磁场强度相关，称为非线性铁磁共振。铁磁共振是研究铁磁体动态过程和测量磁性参数的重要方法。它也是铁氧体隔离器、环行器、移相器等微波磁性器件的物理基础。

铁磁体是含有两个或两个以上不相等的磁亚晶格的有序磁性材料。铁磁共振是铁磁体在居里点以下的磁共振。在宏观磁学中，铁磁体一般与铁磁体有许多相似之处，铁磁共振与铁磁共振也有许多相似之处。因此，习惯上将一般的铁磁共振称为铁磁共振。然而，含有多个磁亚晶格的铁磁体的微观结构与只有一个磁晶格的铁磁体有明显的不同。这种差别会反映在铁磁共振的某些特性上。这些特性是由多个具有强交换耦合的磁亚晶格中磁矩的复杂进动所产生的，主要表现为：磁共振有两种类型，即铁磁共振，其共振不受交换作用的影响，以及交换共振，其共振主要由交换作用决定。在两个磁子阵列磁矩相互抵消或动量矩相互抵消的抵消点附近，共振参数(如g因子的共振线宽)出现异常变化。在磁矩和动量的两个抵消点之间，法拉第旋转反转。这些特性已在实验中观察到。铁磁共振的应用与铁磁共振基本相同，只有在应用上述铁磁共振特性(如g因子异常增减、法拉第旋转反转等)时才会出现差异。

反铁磁共振(anti - ferromagnetic resonance)是一种包含两个晶体等效磁亚晶格且磁矩相互抵消的序列磁性材料。它是由交换强耦合的两个磁亚晶格中磁矩的复杂进动引起的共振现象。在反铁磁共振中，有效恒定磁场包括反铁磁场中的交换场BE和各向异性场BA。在没有恒定磁场的情况下，只加入适当的高频磁场即可观察到简并反铁磁共振，其共振角频率称为自然反铁磁共振。当外加恒定磁场B时，观察到两个具有共振角频率的非简并反铁磁共振。反铁磁体的BE和BA一般都很高，反铁磁共振发生在毫米或亚毫米波段。目前，除基础研究应用外，强内场可作为毫米波段或更高频率的隔离器等非互易磁性器件。

顺磁共振具有未抵消的电子磁矩(自旋)的无序系统在一定恒定磁场和高频磁场的同时作用下的磁共振。如果电子的未抵消磁矩来自未填充的内部电子壳层(例如，铁族原子的3d壳层，稀土族原子的4f壳层)，则通常称为(狭义的)顺磁共振。如果电子的未抵消磁矩来源于外部电子或共电子的未配对自旋(如半导体和金属中的导电电子、有机物的自由基、晶体缺陷(如位错)和辐射损伤(如色心))，则通常称为电子自旋共振。顺磁共振是由顺磁物质基态塞曼能级之间的跃迁引起的，它的灵敏度远不如强磁体的磁共振。如果将含有自由基的分子(称为自旋标记)添加到非顺磁性物质(一些生物分子)中，也可以在先前的抗磁性物质中观察到自旋标记的顺磁共振。目前，顺磁共振技术已广泛应用于研究各种含顺磁性原子(离子)和未成对电子自旋的固体。我们不仅可以研究固体的基态能谱，还可以研究固体的相变、弛豫和缺陷的动态过程。微波量子放大器也是在固态顺磁共振研究的基础上发展起来的。

回旋共振又称反磁共振。载流子(电子和空穴)在固体和等离子体以及电离气体中处于恒定磁场B和横向高频电场E()的同时，当高频电场频率等于带电粒子的回旋频率=c时，带电粒子碰撞的释放时间远大于高频电场周期，即1/，可以观察到带电粒子的回旋共振。因此，通常在高纯度、低温(大)、强磁场(c高)和高频率的条件下观察回旋加速器共振。其显著特点是在各向同性介质中，介电常数和电导率成为张量，称为陀螺电学性质。这与其他磁矩(自旋)系统的磁共振不同，其中磁导率是一个张量(称为回旋磁)。此外，在电离分子中也可以观察到带电离子的回旋共振。目前回旋共振主要用于半导体和金属的能带结构和载流子有效质量的研究。它也是陀螺仪(如半导体隔离器)、微波参数放大器、负质量放大器、毫米波微波激射器、红外激光器等研究的物理基础。

核磁共振元素周期表中的大多数元素都具有非零核自旋和磁矩的同位素。在恒磁场B和横向高频磁场bo()的同时作用下，在n=NB (N为核磁旋转比)条件下可产生核磁共振，在恒磁场B突然改变方向时也可产生频率o=B、振幅随时间衰减的无核进动。它在某些方面与核磁共振相似。在固体中，原子核受外场Be和内场Bi的影响，导致共振谱线发生小位移(约0.1% ~ 1%)，在金属中称为Knight位移，在一般化合物中称为化学位移，在序磁性材料中由于核外电子极化产生约10 ~ 103T的内场，称为超细作用场。这些位移和内部场反映了原子核周围化学环境的影响(即电子组态和原子分布等)。核磁共振中能量交换和传递的弛豫过程，包括核自旋-自旋弛豫和核自旋-晶格弛豫，也反映了化学环境的影响。因此，核磁共振作为一种微探针来探测物质的微观结构。目前，核磁共振已成为研究各种固体材料，包括无机、有机和生物分子材料的结构、化学键、相变和化学反应的重要方法。新开发的核磁共振技术不仅具有与超声成像和x射线断层成像相似的功能，而且可以显示化学元素的分布和弛豫时间。

当固体中有两个或两个以上基团或磁共振系统相互耦合时，一个基团或系统的磁共振可以影响另一个基团或系统的磁共振，因此其中一个磁共振可以用来探测另一个磁共振，称为磁双共振。例如，同一物质中一种原子核的核磁共振，可以用来影响和探测另一种原子核的核磁共振，称为核磁双共振；电子自旋共振可以在同一物质中受到核磁共振的影响和检测，称为电子-核磁双共振。其他磁共振(如核磁共振或顺磁共振)也可以通过光泵技术进行检测，称为光磁双共振或光磁共振。

李银元，李国栋编：《铁氧体物理学》，修订版，科学出版社，北京，1978。徐广志主编：《电子自旋共振波谱基本原理》，科学出版社，北京，1978。C.p.lichter，《磁共振原理》，柏林，1978年。参考文章

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