以“通俗易懂，深入解析核磁共振（NMR）原理”为标题

Struggle

核磁共振中的“核”指的是原子核，属于微观粒子，磁和共振本身是一种概念，看不见也摸不着，所以个人觉得，如果非物理专业出身，理解核磁共振原理其实是比较难的。NMR仪器构造和工作机理涉及到微观粒子的运动、电和磁和能量量子化等，主要包括核磁共振波谱仪和核磁共振成像技术，应用于化学和医学领域，不得不承认物理与数学一样，是基础而伟大的学科。接下来，咱尽量用通俗易懂的语言聊一聊核磁共振的原理。先从原子核开始：
“核”：众所周知，原子由原子核和核外电子组成，其中带正电的原子核是个闲不住的粒子，总喜欢围着自己转圈圈，跟钟无艳的大招一样，咱们姑且送这种运动状态一个名字-自旋。高中物理课堂上咱们了解到运动的电荷是可以产生磁场的，随之自然就会产生磁矩，所以我们可以想象每个自旋的原子核就是一个小磁针。如下图所示。在微观世界里面，因为每个原子核产生的磁矩方向各异，所以总效果磁矩向量和是零。这时候我们是很难观察和记录到信号的。于是乎，我们就引出了磁，人为的在核旁边加个外在的磁场。

自旋的原子核就是一个小磁针“磁”：上面指出一群方向各异的自旋核产生的净磁场为0，使得我们人为引入大磁场，目的就是让这些小磁针定向排列。绿色箭头方向H0就是我们引入的磁场方向，现在再看看红色的小磁针，就乖很多了，大部分就是顺磁场方向了。

左：无磁场小磁针随意排列；右：有磁场小磁针定向排列再仔细看看右边这幅图，有些小磁针，像我们有些人一样，不随波逐流，就是要逆着规则，方向偏和大方向相反，非常的高傲，我们姑且称为这种磁性核为高能量核。当然这种“人”在社会上毕竟属于少数，总结果自然就是低能级的核数目高于高能级的核的数目，我们也常称低能级的核为α能级，高能级的核为β能级。如下图所示。“核”与“磁”聊完，下面就是共振了。

低、高能级核的磁矩方向“共振”：一想到共振，我们是否可以联想到高中物理课堂上的电子跃迁，物理或者化学老师告诉我们，这些电子真讲究，你多给他或者少给他一点能量，它都不跃迁，必须刚刚好，咋滴！低能级才向高能级跃迁，这里我们就说是能量量子化。对于核磁共振中能级跃迁，也是大同小异。上文我们学习到，外在磁场的作用使得原本杂乱无章的原子核定向排列，分为低能级和高能级核，前者如果向后者能级跃迁，外在给予的能量必须等于低能级和高能级的能量差，才可以达到跃迁条件，即核磁共振。这里的“共”理解为量子化，会不会更好理解一点。聊到这，核磁共振基本也唠完了，不知道在看的你，有没有对NMR了解更深一点，如果有，点赞加关注，让更多人看到，谢谢同学们的支持。
我也留了几个问题供你们思考：

• 共振信号如何转变为波谱信号？偶合裂分缘由？化学位移影响因素？
  
• 哪些原子核可以做核磁共振？
  
• 核磁共振波谱和核磁共振成像技术有何关系？
  
• 既然微观粒子原子核可以自旋和跃迁，那么电子呢？它也可以么
  
• 核磁共振与其他仪器相比优劣势是什么？
  

后续随缘更新...
2022年4月22日，聊一聊自旋量子数I。
上文讲述NMR原理的时，有引入“自旋”这个概念，当时引入“钟无艳大招”和“地球自转”等模型，纯粹是为了方便理解。其实，“自旋”这个概念理论上讲很难在经典力学里面找到对应模型。由Malcolm H. Levitt老爷子出版《Spin Dynamics》书中描述，自旋，如同原子质量、电荷和磁性一样，是物质内在属性。微观粒子若真像地球自转一样，因其半径是非常小的，按照数学家一顿运算，其转动角速度惊人，得比光速还快，就更加难以置信了。据说，最早提出“自旋”这个概念的的人也正是困惑于此，与物理诺贝尔奖就这样擦肩而过。因此，对于“自旋”这个概念，我们理解成物质固有属性，就够了。

《Spin Dynamics》中Part.1 Matter部分氢核自旋量子数等于1/2，是NMR经常研究的对象。作者是化学出身，对于自旋量子数这个新引进概念，跟大家一样，也是难以理解的。众所周知，在宏观世界里，一种图形或者物体，旋转360°，必定会回到原先的位置，我们把这样的物体自旋量子数定义为1（S=1）。与此同时，自旋量子数为1/2（S=1/2）的物质需旋转720°才可以回到本身。是不是感觉有点神奇？这种物质在我们宏观世界也是很难找到模型与之相对应的。说这么多，主要是让大家了解量子力学和经典力学两种物理理论，适用对象不一样，量子力学主要研究微观粒子的运动状态而牛顿力学适用于我们肉眼可见的宏观世界运动状态，我们就不用非得在宏观世界找到自旋量子数为1/2的物质了。
为了让大家更加了解自旋量子数，我们以原子核核外电子运动轨道和状态为例。众所周知，原子由原子核和核外电子组成。主量子数（n）、角量子数（l）、磁量子数（m）和自旋量子数（s）这四个量子数常用来描述核外电子的运动状态。
主量子数常用符号n，表示电子层，比如n=1，可理解该原子核有一个电子层。角量子数常用符号l，表示电子亚层，电子亚层的数目由电子层数目限制，n等于2，l仅可取，0和1（取值按照n-1规则），电子亚层可以理解在电子层的基础上，运动范围继续细化。磁量子数常用符号m，表示电子运动轨道取向，轨道取向由电子亚层数目限制，l等于2，m仅可取-2，-1，0，1和2（取值数目按照2n+1规则），轨道取向可以理解在电子亚层的基础上，运动方向细化，电子亚层表示电子运动范围取值数目，而轨道取向可以理解在电子运动范围内，方向取向数值。
有没有感觉电子位置一直被细化，为了就是可以准确无误地确定电子的运动位置和方向。就好比如我告诉你我的手机放在33大学3栋楼第3层的313房间某个位置，这里的33大学可理解为某原子核，3栋楼可理解为主量子数n，第3层是角量子数l，313房间是磁量子数m。通过这三个量子数，基本上就可以很好找到电子位置（我的手机）。但并没有告诉你手机具体位置，这时候就需要引进我们今天要说的自旋量子数（s）了，当告诉你手机放在33大学3栋楼第3层的313房间最靠门的位置上铺的时候，信息是不是就非常明了了。这里自旋量子数为1/2(上铺），自旋量子数为-1/2(下铺）。
总结，通过主量子数n，角量子数l，磁量子数m和自旋量子数s这四个物理量我们就可很好的描述某原子核的核外电子运动位置和方向。这里借以电子自旋量子数希望把“自旋”这个概念有很好得讲明白，电子和原子核一样，自旋量子数均为1/2。
好了，谢谢各位同学的关注，很开心与大家继续在NMR中遨游。

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/418002740
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！