终于开始了第一篇核磁共振原理的介绍。

我打算从三个方面阐述下这项技术的原理

从光谱的角度

从电磁学的角度

从量子力学的角度

为什么NMR有这么多角度去理解。其实主要是和NMR实验的复杂性和发展决定的。

第一篇我们简单回忆下本科课本上最基础的NMR知识，也就是从光谱的角度。

大多数人开始了解NMR是从谱学分析开始了解的。我们一说到谱学分析，或者光谱分析（有机结构解析的四大谱学中的质谱并不是光谱）。我们一般会从两个方面理解。

第一个是从波长的角度。比如紫外-可见光谱是分子吸收了紫外-可见光区的能量，波长大约在200nm-800nm，而波长和频率，能量满足：

lambda=frac{u}{ u}，E=frac{hc}{lambda}

波长越长，能量越低。紫外光谱吸收的能量是一种短波长，高频率，高能量的波。当然这一波段的吸收和发射还对应了荧光光谱。而如果吸收比紫外能量更高，波长更短的波，对应的就是X-ray甚至 gamma -ray。对应的分析有光电子能谱（XPS）,俄歇电子能谱等。当使用波长比可见光（760nm）更长的光谱时，在红外光谱区，对应红外光谱（IR）。好，现在如果给了一个能量更低的电磁波，比如射频（Radio），我们可以采集到的就是核磁共振波谱（NMR）。

（图片来自Wikipedia）

当然我们知道这种分类方法仅仅是光谱分析的一种分类。而与上面这种分类更紧密的一种分类是按照结构区分。比如紫外-可见光谱对应的能量会引起分子价层电子能级的跃迁，因此紫外可见光谱也称为分子电子跃迁光谱。而如果我们关注的电子能级的跃迁还包含著非辐射跃迁，那么我们就可以在这个波段研究荧光光谱。红外光谱对应的是分子的振动和转动能级跃迁，振转能级差要小于电子能级，因此长波低能的红外光就可以引起。同理，分子内层电子的跃迁需要更高的能量，也就是光电子能谱和俄歇电子能谱。

我们知道，核磁共振是研究分子内部原子核能级的跃迁。而这个核能级的能量差更小，只需要射频的能量就可以实现了。

核能级差到底有多大？

首先我们要介绍下什么是核能级。

我们知道，只有部分原子核具有核磁共振现象。它们是质量数为奇数的一类原子核，比如1H,13C,15N,31P,19F,29Si，这些核是球状的自旋核，也是核磁共振主要研究的对象。另一类具有偶数，质子数为奇数的原子核，比如2H,14N，这些核也有核磁共振现象，但由于是电四极矩核，核磁谱非常复杂，一般不在常规研究的范围内。还有一类核是质子数是偶数，质量数也是偶数的核，比如12C,16O等，它们没有核磁共振现象。具体的原因是和质子与种子的夸克相关，具体不再展开。

具有球形对称的原子核一般称为自旋1/2核（Spin 1/2）。Spin 1/2核在磁场B0中会发生裂分。和电子类似，原子核也存在角动量量子化。

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

对于1/2核来说，在磁场中主要裂分成-1/2和1/2两个能级。

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

Delta E=gammahbar B_{0}

我们类比为，+1/2核与磁场同向，能量低；-1/2核与磁场方向相反，能量高。

这个能量大概多大呢，对于600MHz 核磁共振，大概14.09T，氢核 gamma_{H}=267.52212MHz/T你可以计算需要的能量多高。

（图片来自Wikipedia）

我们解释下为什么核能级的能量差没有那么大。

在磁场中，外磁场对原子核的取向需要克服原子核的热运动，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})

有兴趣的话你可以算一下。基本上来说，出于两个能级上的原子核基本差不多。因此射频的能量就足够实现核能级的跃迁。

射频的频率有多大呢？

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

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

也就是共振条件。

说到现在，这就是大家本科时期学习的核磁的基本原理

但是这个原理目前已经不适用了，只适合我们去理解最基本的核磁共振。

电磁波照射的思想说明它更适合解释N年以前的连续波核磁共振谱仪，

而目前我们使用的大多数为超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪

后面会从矢量模型去了解进一步的核磁共振理论。


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