核磁共振实验原理

核磁共振实验原理

核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动.
核磁共振根据量子力学原理,原子核与电子一样,也具有自旋角动量,其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定,实验结果显示,不同类型的原子核自旋量子数也不同：
质量数和质子数均为偶数的原子核,自旋量子数为0 ,即I=0,如12C,16O,32S等,这类原子核没有自旋现象,称为非磁性核.质量数为奇数的原子核,自旋量子数为半整数 ,如1H,19F,13C等,其自旋量子数不为0,称为磁性核.质量数为偶数,质子数为奇数的原子核,自旋量子数为整数,这样的核也是磁性核.但迄今为止,只有自旋量子数等于1/2的原子核,其核磁共振信号才能够被人们利用,经常为人们所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P ,由于原子核携带电荷,当原子核自旋时,会由自旋产生一个磁矩,这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同,大小与原子核的自旋角动量成正比.将原子核置于外加磁场中,若原子核磁矩与外加磁场方向不同,则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转,这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动,称为进动.进动具有能量也具有一定的频率.
原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定,也就是说,对于某一特定原子,在一定强度的的外加磁场中,其原子核自旋进动的频率是固定不变的.
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关,根据量子力学原理,原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的,而是由原子核的磁量子数决定的,原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃,而不能平滑的变化,这样就形成了一系列的核磁共振氢谱能级.当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后,就会发生能级跃迁,也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化.这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础.
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁,需要为原子核提供跃迁所需要的能量,这一能量通常是通过外加射频场来提供的.根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候,射频场的能量才能够有效地被原子核吸收,为能级跃迁提供助力.因此某种特定的原子核,在给定的外加磁场中,只吸收某一特定频率射频场提供的能量,这样就形成了一个核磁共振信号.
再问： 顺磁共振实验原理
再答： 电子顺磁共振(EPR)是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术,是研究化合物或矿物中不成对电子状态的重要工具,用与定性和定量检测物质原子或分子中所含的不配对电子,并探索其周围环境的结构特性.电子顺姿共振亦称电子自旋共振(EPR). 　　 其基本原理为电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子,它能进行两种运动:一是在围绕原子核的轨道上运动,二是通过本身中心轴所做的自旋.由于电子运动产生力矩,在运动中产生电流和磁矩,.在外加磁场中,简并的电子自旋能级将产生分裂.若在垂直外磁场方向加上合适频率的电磁波,能使处于低自旋能级的电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级,从而产生电子的顺磁共振吸收现象. 　　 电子顺磁共振谱仪由辐射源、谐振腔、样品座、信号接收、放大和记录器等部分组成.矿物的EPR谱可以提供矿物中具有顺磁中心的杂质的晶格位置、价态、局域对称、浓度及晶体场参数等信息,从而研究基态电子结构和化学键性质,解释矿物的某些物理性质. 　　 电子顺磁共振谱仪在矿物学中的主要应用一是研究矿物中顺磁性杂质离子(浓度低于1%),如过度元素离子和稀土元素离子的类质同像置换、有序-无序、化学键及晶格参量和局域对称;二是研究于点缺陷有关的电子-空穴中心的类型、浓度、性质等.电子顺磁共振谱在矿物颜色研究方面也有重要作用