西安交大创新物理实验综述报告题库

创新物理实验综述报告

硕4006班周阳3114008003

1．磁共振系列实验

1．1词条解释

外文名：Spin Magnetic Resonance Phenomenon

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。

1．2发展简史

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。1945年首先在顺磁性Mn盐的水溶液中观测到顺磁共振，第二年，又分别用吸收和感应的方法发现了石蜡和水中质子的核磁共振；用波导谐振腔方法发现了Fe、Co和Ni薄片的铁磁共振。1950年在室温附近观测到固体Cr2O3的反铁磁共振。1953年在半导体硅和锗中观测到电子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后从理论上预言和实验上观测到亚铁磁共振。随后又发现了磁有序系统中高次模式的静磁型共振（1957）和自旋波共振（1958）。1956年开始研究两种磁共振耦合的磁双共振现象。这些磁共振被发现后，便在物理、化学、生物等基础学科和微波技术、量子电子学等新技术中得到了广泛的应用。例如顺磁固体量子放大器，各种铁氧体微波器件，核磁共振谱分析技术和核磁共振成像技术及利用磁共振方法对顺磁晶体的晶场和能级结构、半导体的能带结构和生物分子结构等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩参数的测定也是以各种磁共振原理为基础发展起来的。

磁共振成像技术由于其无辐射、分辨率高等优点被广泛的应用于临床医学与医学研究。一些先进的设备制造商与研究人员一起，不断优化磁共振扫描仪的性能、开发新的组件。例如：德国西门子公司的1.5T 超导磁共振扫描仪具有神经成像组件、血管成像组件、心脏成像组件、体部成像组件、肿瘤程序组件、骨关节及儿童成像组件等。其具有高分辨率、磁场均匀、扫描速度快、噪声相对较小、多方位成像等优点。1．3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。

1．4试验方法

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