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磁共振的原理
固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作用下,在某一频率附近产
生对高频电磁场的共振吸收现象。在恒定外磁场作用下固体发生磁化,固
体中的元磁矩均要绕外磁场进动。由于存在阻尼,这种进动很快衰减掉。
但若在垂直于外磁场的方向上加一高频电磁场,当其频率与进动频率一致
时,就会从交变电磁场中吸收能量以维持进动,固体对入射的高频电磁
场能量在上述频率处产生一个共振吸收峰。若产生磁共振的磁矩是顺磁体
中的原子(或离子)磁矩,则称为顺磁共振;若磁矩是原子核的自旋磁矩,
则称为核磁共振。若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩,则称为铁磁共振。
核磁矩比电子磁矩约小3个数量级,故核磁共振的频率和灵敏度比顺磁共
振低得多;同理,弱磁物质的磁共振灵敏度又比强磁物质低。从量子力学
观点看,在外磁场作用下电子和原子核的磁矩是空间量子化的,相应地具
有离散能级。当外加高频电磁场的能量子hv等于能级间距时,电子或原子
核就从高频电磁场吸收能量,使之从低能级跃迁到高能级,从而在共振频
率处形成吸收峰。
利用顺磁共振可研究分子结构及晶体中缺陷的电子结构等。核磁共振
谱不仅与物质的化学元素有关,而且还受原子周围的化学环境的影响,故
核磁共振已成为研究固体结构、化学键和相变过程的重要手段。核磁共振
成像技术与超声和X射线成像技术一样已普遍应用于医疗检查。铁磁共振
是研究铁磁体中的动态过程和测量磁性参量的重要方法。
磁共振基本原理
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,
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医`学教育网搜集整
理。
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dM/dt=γ(M×B]来描述。
磁共振
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:即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
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