[科普中國]-磁共振方法

利用磁共振分析固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)過程的方法。磁共振是指固體在一定磁場作用下其原子或原子核所產(chǎn)生的共振吸收現(xiàn)象。1

磁共振磁共振指固體在恒定磁場和高頻磁場同時(shí)作用下，當(dāng)恒定磁場與高頻磁場的頻率滿足一定條件時(shí)，該固體對高頻電磁場的共振吸收現(xiàn)象。2

具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下都可能出現(xiàn)不同的磁共振。與電子磁性有關(guān)的主要有抗磁共振、順磁共振和鐵磁共振。

與核磁性有關(guān)的有核磁共振。各種磁共振既有共性又各有特性。其共性表現(xiàn)在基本原理和實(shí)驗(yàn)方法類似，而特性則表現(xiàn)在各種共振有其產(chǎn)生的特定條件和不同的微觀機(jī)制。

與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。

工作原理電子繞其本身軸線自轉(zhuǎn)以及原子核的自旋都具有磁偶極矩（磁矩）。

按照量子力學(xué)規(guī)律，具有磁矩的原子和原子核在外加磁場中的能態(tài)是量子化的，即具有一系列的能級。在磁共振實(shí)驗(yàn)中，把樣品放在強(qiáng)磁場內(nèi)，樣品內(nèi)原子的電子和核就處于不同的能級。

如果在垂直于磁場的平面內(nèi)再加一適當(dāng)頻率的交變?nèi)醮艌?，以使其靜磁場產(chǎn)生一些變化直至共振出現(xiàn)時(shí)，許多原子和核就會(huì)從共振磁場吸收能量而從低能級躍遷到高能級，此時(shí)在檢測系統(tǒng)中可測得樣品對高頻電磁能量的吸收Pa與磁場B（或頻率W）的關(guān)系，即磁場共振吸收曲線。

根據(jù)磁共振吸收曲線的共振線寬（相應(yīng)于最大共振吸收一半的磁場間隔）△B、共振吸收強(qiáng)度（最大共振吸收Pmax或共振曲線面積）和共振曲線形狀（包括對稱性和精細(xì)結(jié)構(gòu)等）等，可以獲得樣品性質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面的有關(guān)信息。

分類介紹磁共振方法中所利用的磁共振主要有鐵磁共振、順磁共振、回旋共振、核磁共振、磁雙共振。鐵磁共振可用于研究鐵磁體中動(dòng)態(tài)過程和測量磁性參量。

鐵磁共振鐵磁有序物質(zhì)在恒定磁場B和高頻磁場b（ω）的同時(shí)作用下，滿足ω=γB的條件時(shí)，這鐵磁物質(zhì)對高頻電磁場產(chǎn)生的強(qiáng)烈吸收現(xiàn)象，稱為鐵磁共振，其中γ為鐵磁物質(zhì)的旋磁比，ω為高頻電磁場的角頻率。3

廣義的鐵磁共振還包括其他強(qiáng)磁性有序（如亞鐵磁性）物質(zhì)的磁共振。

鐵磁共振是1946年英國物理學(xué)家J。Griffiths在金屬Fe，Ni和Co箔中發(fā)現(xiàn)的，隨后在鐵氧體及其他眾多的強(qiáng)磁性物質(zhì)中都觀測到了。

經(jīng)過多年的發(fā)展，鐵磁共振不但已成為研究強(qiáng)磁有序物質(zhì)中自旋系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和若干磁特性的重要方法，而且也是微波旋磁器件應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。

順磁共振由于未成對電子的自旋產(chǎn)生的磁矩在磁場中吸收電磁波而產(chǎn)生電子磁能級躍遷的現(xiàn)象，稱為順磁共振，簡記作EPR。又稱為電子自旋共振，簡記作ESR。是1944年查沃斯基(Е.К.Завойский)發(fā)現(xiàn)的。4

含有未成對電子的物質(zhì)(過渡金屬離子、自由基等)電子自旋磁矩不為零，具有順磁性。與核磁共振相類似，電子磁矩在磁場中方向量子化，此磁矩取向不同，電子的能量也就不同，因而產(chǎn)生不同的磁能級。當(dāng)外來電磁波的頻率和這些磁能級相當(dāng)時(shí)，電磁波被吸收，就會(huì)產(chǎn)生電子自旋共振即順磁共振。

由于分子中未成對電子的自旋-軌道偶合或自旋-自旋相互作用在電子順磁共振譜中可產(chǎn)生多重峰，被稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)。由于核磁矩的影響，引起電子的磁能級分裂，因而電子順磁共振譜中的譜線也將分裂為多條譜線，稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)。順磁共振是研究具有未成對電子的物質(zhì)，如自由基、某些絡(luò)合物以及含有奇數(shù)電子的分子的有力工具。

核磁共振在磁場中原子核對無線電波產(chǎn)生的影響。外界強(qiáng)磁場引起核子磁矩繞磁場方向發(fā)生進(jìn)動(dòng)，且根據(jù)量子理論，進(jìn)動(dòng)只沿某些特定的方向的發(fā)生。

從一個(gè)進(jìn)動(dòng)方向到另一個(gè)方向的變化涉及光子的吸收或發(fā)射，光子的頻率與進(jìn)動(dòng)頻率一致。在一定強(qiáng)度的穩(wěn)定磁場作用下，其輻射處于射頻波段。如果將射頻從一線圈連接到樣本，再用另一線圈進(jìn)行測試，那么，隨著磁場強(qiáng)度的改變，輻射總是以特定的磁場值被吸收，其吸收值與磁場方向的頻率差相一致。5

核磁共振譜由磁場強(qiáng)度對檢波器響應(yīng)的曲線圖構(gòu)成，可據(jù)以了解分子結(jié)構(gòu)和分子中電子的位置，這是由于沿軌道運(yùn)行的電子覆蓋原子核并使之在不同磁場強(qiáng)度下產(chǎn)生共振之故。

應(yīng)用簡介順磁共振可用于研究固體的基態(tài)能譜以及固體中的相變、弛豫和缺陷等的動(dòng)力學(xué)過程。回旋共振可用于研究半導(dǎo)體和金屬的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量等。核磁共振可用于研究各種固體（包括無機(jī)、有機(jī)和生物大分子材料）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過程。磁雙共振由于可利用其中的一種磁共振來探測另一種磁共振，因而研究它們可獲得更多有用信息，如電子-核雙共振方法可用來測量超精細(xì)和特超精細(xì)分裂。

現(xiàn)在，磁共振方法已成為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)科學(xué)等廣泛領(lǐng)域的有效研究方法。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)