什么是磁共振 磁共振是什么

磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术发展的基础上被发现的。那么你对磁共振了解多少呢?以下是由小编整理关于什么是磁共振的内容，希望大家喜欢!

什么是磁共振

磁共振指的是自旋磁共振(spin magnetic resonance)现象。其意义上较广，包含核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR)或称电子自旋共振(electron spin resonance, ESR)。

此外，人们日常生活中常说的磁共振，是指磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，其是利用核磁共振现象制成的一类用于医学检查的成像设备。

磁共振的基本原理

磁共振(回旋共振除外)其经典唯象描述是：原子、电子及核都具有角动量，其磁矩与相应的角动量之比称为磁旋比γ。磁矩M 在磁场B中受到转矩MBsinθ(θ为M与B间夹角)的作用。此转矩使磁矩绕磁场作进动运动，进动的角频率ω=γB,ωo称为拉莫尔频率。由于阻尼作用，这一进动运动会很快衰减掉，即M达到与B平行，进动就停止。但是，若在磁场B的垂直方向再加一高频磁场b(ω)(角频率为ω)，则b(ω)作用产生的转矩使M离开B,与阻尼的作用相反。如果高频磁场的角频率与磁矩进动的拉莫尔(角)频率相等ω =ωo,则b(ω)的作用最强，磁矩M的进动角(M与B角的夹角)也最大。这一现象即为磁共振。

磁共振也可用量子力学描述：恒定磁场B使磁自旋系统的基态能级劈裂，劈裂的能级称为塞曼能级(见塞曼效应)，当自旋量子数S=1/2时，其裂距墹E=gμBB,g为朗德因子,μ为玻尔磁子，e和me为电子的电荷和质量。外加垂直于B的高频磁场b(ω)时，其光量子能量为啚ω。如果等于塞曼能级裂距，啚ω=gμBB=啚γB，即ω=γB(啚=h/2π，h为普朗克常数)，则自旋系统将吸收这能量从低能级状态跃迁到高能级状态(激发态)，这称为磁塞曼能级间的共振跃迁。量子描述的磁共振条件ω=γB，与唯象描述的结果相同。

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是铁磁体中的磁化强度(单位体积中的磁矩)时，这种磁共振就是铁磁共振。当M=Mi是亚铁磁体或反铁磁体中第i个磁亚点阵的磁化强度时，这种磁共振就是由 i个耦合的磁亚点阵系统产生的亚铁磁共振或反铁磁共振。当M是物质中的核磁矩时，就是核磁共振。这几种磁共振都是由自旋磁矩产生的，可以统一地用经典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ[相应的矢量方程为d M/dt=γ( M×B]来描述。

回旋共振带电粒子在恒定磁场中产生的共振现象。设电荷为q、质量为m的带电粒子在恒定磁场B中运动，其运动速度为v。当磁场B与速度v相互垂直时，则带电粒子会受到磁场产生的洛伦兹力作用，使带电粒子以速度v绕着磁场B旋转，旋转的角频率称为回旋角频率。如果在垂直B的平面内加上高频电场E(ω)(ω为电场的角频率)，并且ω=ωc，则这带电粒子将周期性地受到电场E(ω)的加速作用。因为这与回旋加速器的作用相似，故称回旋共振。又因为不加高频电场时，这与抗磁性相类似，故亦称抗磁共振。当v垂直于B时，描述这种共振运动的方程是d(mv)/dt=q(vB),若用量子力学图像描述，可以把回旋共振看作是高频电场引起带电粒子运动状态在磁场中产生的朗道能级间的跃迁，满足共振跃迁的条件是：

ω=ωc。

各种固体磁共振在恒定磁场作用下的平衡状态，与在恒定磁场和高频磁场(回旋共振时为高频电场)同时作用下的平衡状态之间，一般存在着固体内部自旋(磁矩)系统(回旋共振时为载流子系统)本身及其与点阵系统间的能量转移和重新分布的过程，称为磁共振弛豫过程，简称磁弛豫。在自旋磁共振的情形，磁弛豫包括自旋(磁矩)系统内的自旋-自旋(S-S)弛豫和自旋系统与点阵系统间的自旋-点阵(S-L)弛豫。从一种平衡态到另一种平衡态的弛豫过程所经历的时间称为弛豫时间，它是能量转移速率或损耗速率的量度。共振线宽表示能级宽度，弛豫时间表示该能态寿命。磁共振线宽与磁弛豫过程(时间)有密切的联系，按照测不准原理，能级宽度与能态寿命的乘积为常数，即共振线宽与弛豫时间(能量转移速度)成反比。因此，磁共振是研究磁弛豫过程和磁损耗机制的一种重要方法。

磁共振的实验方法

通常，当外加恒定磁场Be在0.1～1.0T(材料的内磁场BBe)时，各种与电子有关的磁共振频率都在微波频段，而核磁共振频率则在射频频段。这是因为原子核质量与电子质量之比至少1836倍的缘故。虽然观测这两类磁共振分别应用微波技术和无线电射频技术，但其实验装置的组成与测量原理却是类似的。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。微波(或射频)源产生一定角频率ω(或频率扫描)的电磁振荡，送到装有样品的共振系统(共振腔或共振线圈)，共振系统中的高频磁场bω[回旋共振时为电场E(ω)]与磁场系统产生的恒定磁场B 垂直，当保持源的频率不变而改变恒定磁场强度(磁场扫描)，或保持恒定磁场强度不变而改变源的频率(频率扫描)，达到共振条件ω=γH 时，检测系统便可测得样品对高频电磁能量的吸收Pa与磁场B(或频率ω)的关系，即共振吸收曲线,如图4a。在共振信号微弱(例如核磁共振或顺磁共振)的情况下，可以采用调制技术，测量共振吸收微分曲线，以提高检测灵敏度。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(相应于最大共振吸收一半的磁场间隔)ΔB、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型时，共振微分曲线的极值间隔ΔBpp与共振线宽ΔB具有简单的关系：。在采用频率扫描代替磁场扫描时，相应的共振曲线和参数中的磁场B都换为角频率ω，如共振频率ωo，共振线宽Δω等。在特殊情况下，还可以采用脉冲源、傅里叶变换、多次累积等技术来提高灵敏度或分辨率等。

磁共振的具体分类

具有不同磁性的物质在一定条件下都可能出现不同的磁共振。下面列出物质的各种磁性及相应的磁共振：各种磁共振既有共性又有特性。其共性表现在基本原理可以统一地唯象描述，而特性则表现在各种共振有其产生的特定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，其激发场为与恒定磁场相垂直的高频电场，而其他来自自旋磁共振的激发场为高频磁场。核磁矩比电子磁矩约小三个数量级，故核磁共振的频系和灵敏度都比电子磁共振的低得多。弱磁性物质的磁矩远低于强磁性物质的磁矩，故弱磁共振的灵敏度又比强磁共振低，但强磁共振却必须考虑强磁矩引起的退磁场所造成的影响。