原子核磁矩与核磁共振的历史、发展与展望

原子核磁矩与核磁共振的历史、发展与展望

09061209 陈曲

摘要

本文通过解释原子核磁矩的产生，引出核磁共振现象与核磁矩之间必然的联系，接着，通过回顾核磁共振现象最早的发现，以及后来在各个领域的发展（本文主要论述医学和找水源问题的发展）、现状，和对于今后该领域的前景和目前存在的问题加以论述。

关键词

原子核磁矩、核磁共振、计算机断层扫描技术、核磁共振计算机断层扫描技术

绪论

原子核磁矩（nuclear magnetic moment）是核的性质之一，由核内质子和中子的自旋磁矩所组成。反映了核内电流分布状况，与核内核子的运动状态有关。构成原子核的质子和中子都有一定的磁矩；带电的质子在核内运动也会产生磁矩。二者总效应使原子核具有一定的磁矩。核磁矩的值有正有负，表示核磁矩的方向与自旋角动量方向相同或相反。测量核磁矩比较精确的方法是核磁共振法。核磁共振是核因有磁矩而产生的一种重要的效应，在分析物质结构和研究核性质中有着重要的应用。所以说原子核磁矩的存在是发生核磁共振的前提。

如何判断磁矩的方向和反转呢？这个要用右手螺旋定则来判断。四个指头指向电流的方向，那么大拇指的所指方向就是磁矩的方向。

核磁共振的定义用一句话来说就是：核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

核磁共振的主要用途是高分辨率成像1，例如分子结构的测定、元素的定量分析、生命组织研究中的应用、药品鉴定等等，但是，在我看来，核磁共振在生活中的应用最主要的就是医学上对病变的生物组织进行高清晰，高分辨率成像了。磁共振检查是将人体置于均匀磁场当中，通过物理办法让人体质子发生共振，通过线圈收集不同组织的信号，经过计算机处理，获得任意方向、角度解剖病变的图像。通过前沿分子信号分析，能够更早、更准确地得出医学影像诊断，广泛应用于中枢神经系统、骨与关节系统、心脏及大血管实质脏器、软组织肌肉等，具有其它医疗设备难以比拟的优势。

本次论文主要要研究的内容是原子核磁矩与核磁共振的前身，现状以及今后对于发展的展望，希望更多的有识之士能够推动核磁共振这一技术的发展，为核磁共振能够更多更好地服务人们而奋斗。

一、核磁共振的历史

（一）核磁共振现象的发现

1930年代，伊西多²拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。1946年，費利克斯²布洛赫和愛德華²珀塞尔发现，將具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置於磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。

（二）核磁共振技术早期的科研应用

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。

（三）核磁共振技术的早期医学应用2

医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗²劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊的内部结构图像。劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治疗和诊断。2003年，保罗²劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得²曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。

二、核磁共振的基本原理3

（一）实验原理

本实验以氢核和氟核为研究对象，下面以氢核为例，应用量子力学的理论，阐明核磁共振的基本原理。

概括地说，所谓“NMR ”，就是自旋核磁矩（μI ）不为零的原子核，在恒定外磁场的作用下发生塞曼分裂，这时如果在垂直于外磁场方向加上高频电磁场（射频场），当射频场的能量（h υ）刚好等于原子核两相邻能级的能量差时（ΔE ），则射频场的能量被原子核吸收，从而产生核磁共振吸收现象，称之为“NMR ”。

1、单个核的核自旋与核磁矩

原子核内所有核子的自旋角动量与轨道角动量的矢量和为I

P

，其大小为

)1(+=I I P I ⑴

其中I 为核自旋量子数，人们常称I 为核自旋，可取I = 0，1/2，1，3/2，……。对氢

核来说，I = 1/2。

由于自旋不为0的原子核有磁矩μ，它和核自旋PI 的关系为

I

N P

P g m e

2=

μ ⑵

式中mP 为质子的质量，gN 称为核的朗德因子，它决定于核的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。大多数核的gN 为正值，少数核的gN 为负值，|gN | 的值在0.1~6之间。对氢核（即质子）来讲gN = 5.585694772。

把氢核放入外磁场B 中，可取坐标Z 方向为B 的方向。于是，核磁矩μ在外磁场B

方向的投影为

IB

N P

B P g m e 2=

μ ⑶

PIB 为核的自旋角动量在B 方向投影值，由下式决定

M P IB = ⑷ M 为自旋磁量子数，M = I ，I -1，……，-I 。I 一定时，M 共有2I+1个取值。

将公式⑷代入⑶得：

M

g M g m e N N N P

B μμ==

2 ⑸

式中P

N m e 2 =

μ，称作核磁子，其数值计算得：μN =5.0575866³10-27J/T 。

通常把μBmax 称作核的磁矩，并记作

N

N I g μμ= ⑹

如以μN 为单位μ= gNI ，实验测出质子的磁矩μP =2.792847386μN 。

核磁矩μ与核自旋角动量PI 的比值叫作旋磁比（magnetogyric ratio ），又称磁旋比或回磁比，原子核的旋磁比用γN 表示