終於開始了第一篇核磁共振原理的介紹。

我打算從三個方面闡述下這項技術的原理

從光譜的角度

從電磁學的角度

從量子力學的角度

為什麼NMR有這麼多角度去理解。其實主要是和NMR實驗的複雜性和發展決定的。

第一篇我們簡單回憶下本科課本上最基礎的NMR知識，也就是從光譜的角度。

大多數人開始了解NMR是從譜學分析開始了解的。我們一說到譜學分析，或者光譜分析（有機結構解析的四大譜學中的質譜並不是光譜）。我們一般會從兩個方面理解。

第一個是從波長的角度。比如紫外-可見光譜是分子吸收了紫外-可見光區的能量，波長大約在200nm-800nm，而波長和頻率，能量滿足：

lambda=frac{u}{ u}，E=frac{hc}{lambda}

波長越長，能量越低。紫外光譜吸收的能量是一種短波長，高頻率，高能量的波。當然這一波段的吸收和發射還對應了熒光光譜。而如果吸收比紫外能量更高，波長更短的波，對應的就是X-ray甚至 gamma -ray。對應的分析有光電子能譜（XPS）,俄歇電子能譜等。當使用波長比可見光（760nm）更長的光譜時，在紅外光譜區，對應紅外光譜（IR）。好，現在如果給了一個能量更低的電磁波，比如射頻（Radio），我們可以採集到的就是核磁共振波譜（NMR）。

（圖片來自Wikipedia）

當然我們知道這種分類方法僅僅是光譜分析的一種分類。而與上面這種分類更緊密的一種分類是按照結構區分。比如紫外-可見光譜對應的能量會引起分子價層電子能級的躍遷，因此紫外可見光譜也稱為分子電子躍遷光譜。而如果我們關注的電子能級的躍遷還包含著非輻射躍遷，那麼我們就可以在這個波段研究熒光光譜。紅外光譜對應的是分子的振動和轉動能級躍遷，振轉能級差要小於電子能級，因此長波低能的紅外光就可以引起。同理，分子內層電子的躍遷需要更高的能量，也就是光電子能譜和俄歇電子能譜。

我們知道，核磁共振是研究分子內部原子核能級的躍遷。而這個核能級的能量差更小，只需要射頻的能量就可以實現了。

核能級差到底有多大？

首先我們要介紹下什麼是核能級。

我們知道，只有部分原子核具有核磁共振現象。它們是質量數為奇數的一類原子核，比如1H,13C,15N,31P,19F,29Si，這些核是球狀的自旋核，也是核磁共振主要研究的對象。另一類具有偶數，質子數為奇數的原子核，比如2H,14N，這些核也有核磁共振現象，但由於是電四極矩核，核磁譜非常複雜，一般不在常規研究的範圍內。還有一類核是質子數是偶數，質量數也是偶數的核，比如12C,16O等，它們沒有核磁共振現象。具體的原因是和質子與種子的夸克相關，具體不再展開。

具有球形對稱的原子核一般稱為自旋1/2核（Spin 1/2）。Spin 1/2核在磁場B0中會發生裂分。和電子類似，原子核也存在角動量量子化。

left| L ight|=frac{h}{2pi}sqrt{J(J+1)} , L_{Z}=m_{J}frac{h}{2pi}

對於1/2核來說，在磁場中主要裂分成-1/2和1/2兩個能級。

E=-muullet B_{0}=-gammahbar B_{0} L_{Z}

Delta E=gammahbar B_{0}

我們類比為，+1/2核與磁場同向，能量低；-1/2核與磁場方向相反，能量高。

這個能量大概多大呢，對於600MHz 核磁共振，大概14.09T，氫核 gamma_{H}=267.52212MHz/T你可以計算需要的能量多高。

（圖片來自Wikipedia）

我們解釋下為什麼核能級的能量差沒有那麼大。

在磁場中，外磁場對原子核的取向需要克服原子核的熱運動，也就是Boltzmann分布

N_{-1/2}=frac{N}{2}(frac{1-hbaromega B}{2k_{B}T})

N_{+1/2}=frac{N}{2}(frac{1+hbaromega B}{2k_{B}T})

有興趣的話你可以算一下。基本上來說，出於兩個能級上的原子核基本差不多。因此射頻的能量就足夠實現核能級的躍遷。

射頻的頻率有多大呢？

hv_{0}=Delta E=gammahbar B_{0}

u_{0}=frac{gamma B_{0}}{2pi}

也就是共振條件。

說到現在，這就是大家本科時期學習的核磁的基本原理

但是這個原理目前已經不適用了，只適合我們去理解最基本的核磁共振。

電磁波照射的思想說明它更適合解釋N年以前的連續波核磁共振譜儀，

而目前我們使用的大多數為超導脈衝傅里葉變換核磁共振譜儀

後面會從矢量模型去了解進一步的核磁共振理論。


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