[科普中国]-磁共振

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。

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。

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。

实验方法通常，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，而核磁共振频率则在射频频段。这是因为原子核质量与电子质量之比至少1836倍的缘故。虽然观测这两类磁共振分别应用微波技术和无线电射频技术，但其实验装置的组成与测量原理却是类似的。磁共振实验装置由微波（或射频）源、共振系统、磁场系统和检测系统组成，如图3。微波（或射频）源产生一定角频率ω（或频率扫描）的电磁振荡，送到装有样品的共振系统（共振腔或共振线圈），共振系统中的高频磁场bω[回旋共振时为电场E（ω）]与磁场系统产生的恒定磁场B 垂直，当保持源的频率不变而改变恒定磁场强度（磁场扫描），或保持恒定磁场强度不变而改变源的频率（频率扫描），达到共振条件ω=γH 时，检测系统便可测得样品对高频电磁能量的吸收Pa与磁场B（或频率ω）的关系，即共振吸收曲线,如图4a。在共振信号微弱（例如核磁共振或顺磁共振）的情况下，可以采用调制技术，测量共振吸收微分曲线，以提高检测灵敏度。磁共振的重要参数是发生最大共振吸收的共振磁场Bo、共振线宽（相应于最大共振吸收一半的磁场间隔）ΔB、共振吸收强度（最大吸收P或共振曲线面积）和共振曲线形状（包括对称性和精细结构等）。当共振曲线为洛伦兹线型时，共振微分曲线的极值间隔ΔBpp与共振线宽ΔB具有简单的关系：。在采用频率扫描代替磁场扫描时，相应的共振曲线和参数中的磁场B都换为角频率ω，如共振频率ωo，共振线宽Δω等。在特殊情况下，还可以采用脉冲源、傅里叶变换、多次累积等技术来提高灵敏度或分辨率等。

具体分类具有不同磁性的物质在一定条件下都可能出现不同的磁共振。下面列出物质的各种磁性及相应的磁共振：各种磁共振既有共性又有特性。其共性表现在基本原理可以统一地唯象描述，而特性则表现在各种共振有其产生的特定条件和不同的微观机制。回旋共振来自载流子在轨道磁能级之间的跃迁，其激发场为与恒定磁场相垂直的高频电场，而其他来自自旋磁共振的激发场为高频磁场。核磁矩比电子磁矩约小三个数量级，故核磁共振的频系和灵敏度都比电子磁共振的低得多。弱磁性物质的磁矩远低于强磁性物质的磁矩，故弱磁共振的灵敏度又比强磁共振低，但强磁共振却必须考虑强磁矩引起的退磁场所造成的影响。

下面分别介绍几种主要的磁共振。

铁磁共振铁磁体中原子磁矩间的交换作用使这些原子磁矩在每个磁畴中自发地平行排列。一般，在铁磁共振情况下，外加恒定磁场已使铁磁体饱和磁化，即参与铁磁共振进动运动的是彼此平行的原子磁矩（饱和磁化强度Ms）。铁磁共振的这一特点引起的主要效应是：铁磁体的退磁场成为影响共振的一项重要因素，因此必须考虑共振样品形状的影响；铁磁体内交换作用场与磁矩平行，磁转矩为零，故对共振无影响；铁磁体内磁晶各向异性对共振有影响，可看作在磁矩附近的易磁化方向存在磁晶各向异性有效场。在特殊情况下，例如当高频磁场不均匀时，会激发铁磁耦合磁矩系统的多种进动模式，即各原子磁矩的进动幅度和相位不相同的非一致进动模式，称为非一致（铁磁）共振。当非一致进动的相邻原子磁矩间的交换作用可忽略，样品线度又小到使传播效应可忽略时，这样的非一致共振称为静磁型共振。当非一致进动的相邻原子磁矩间的交换作用不能忽略（如金属薄膜中）时，这样的非一致共振称为自旋波共振；当高频磁场强度超过阈值，使共振曲线和参数与高频磁场强度有关时，称为非线性铁磁共振。铁磁共振是研究铁磁体中动态过程和测量磁性参量的重要方法，也是微波磁器件（如铁氧体的隔离器、环行器和相移器）的物理基础。

亚铁磁共振亚铁磁体是包含有两个或更多个不等效的磁亚点阵的磁有序材料，亚铁磁共振是亚铁磁体在居里点以下的磁共振。在宏观磁性上，通常亚铁磁体与铁磁体有许多相似的地方，亚铁磁共振与铁磁共振也有许多相似的地方。因此，习惯上常把一般亚铁磁共振也称为铁磁共振。但在微观结构上，含有多个磁亚点阵的亚铁磁体与只有一个磁点阵的铁磁体有显著的差别。这差别会反映到亚铁磁共振的一些特点上。这些特点是由多个交换作用强耦合的磁亚点阵中磁矩的复杂进动运动产生的，主要表现在：有两种类型的磁共振，即共振不受交换作用影响的铁磁型共振和共振主要由交换作用决定的交换型共振，在两个磁亚点阵的磁矩互相抵消或动量矩相互抵消的抵消点附近，共振参量（如g因子共振线宽等）出现反常的变化，在磁矩和动量矩两抵消点之间，法拉第旋转反向。这些特点都已在实验上观测到。亚铁磁共振的应用基本同铁磁共振的一样，其差别仅在应用上述亚铁磁共振的特点（如g因子的反常增大或减小，法拉第旋转反向等）时才表现出来。

反铁磁共振反铁磁体是包含两个晶体学上等效的磁亚点阵且磁矩互相抵消的序磁材料，反铁磁共振是反铁磁体在奈耳温度以下的磁共振。它是由交换作用强耦合的两个磁亚点阵中磁矩的复杂进动运动产生的共振现象。在反铁磁共振中，有效恒定磁场包括反铁磁体内的交换场BE和磁晶各向异性场BA。在不加外恒定磁场而只加适当高频磁场时，可观测到简并的反铁磁共振，其共振角频率称为自然反铁磁共振；

当施加外恒定磁场B时，可观测到两支非简并的反铁磁共振，其共振角频率

一般反铁磁体的BE和BA都较高，反铁磁共振发生在毫米或亚毫米波段。除应用于基础研究外，可利用其强内场作毫米波段或更高频段的隔离器等非互易磁器件。

顺磁共振具有未抵消的电子磁矩（自旋）的磁无序系统，在一定的恒定磁场和高频磁场同时作用下产生的磁共振。若未抵消的电子磁矩来源于未满充的内电子壳层（如铁族原子的3d壳层、稀土族原子的4f壳层），则一般称为（狭义的）顺磁共振。若未抵消的电子磁矩来源于外层电子或共有化电子的未配对自旋[如半导体和金属中的导电电子、有机物的自由基、晶体缺陷（如位错）和辐照损伤（如色心）等]产生的未配对电子，则常称为电子自旋共振。顺磁共振是由顺磁物质基态塞曼能级间的跃迁引起的，其灵敏度远不如强磁体的磁共振高。如果在非顺磁体（某些生物分子）中加入含有自由基的分子（称为自旋标记），则也可在原来是抗磁性的物质中观测到自旋标记的顺磁共振。顺磁共振技术已较广泛地应用于各种含顺磁性原子（离子）和含未配对电子自旋的固体研究。既可研究固体的基态能谱，又可研究固体中的相变、弛豫和缺陷等的动力学过程。微波固体量子放大器也是在固体顺磁共振研究的基础上发展起来的。

回旋共振亦称抗磁共振。固体中的载流子（电子及空穴）和等离子体以及电离气体在恒定磁场 B和横向高频电场E（ω）的同时作用下，当高频电场的频率ω与带电粒子的回旋频率相等，ω=ωc，这些带电粒子碰撞弛豫时间τ远大于高频电场周期，即τ≥1/ω时，便可观测到带电粒子的回旋共振。因此，回旋共振常是在高纯、低温（τ大）和强磁场（ωc高）、高频率的条件下进行观测，其显著特征是在各向同性介质中，介电常数ε和电导率σ成为张量,称为旋电性。这与其他的磁矩（自旋）系统的磁共振中磁导率 μ为张量（称为旋磁性）不相同。此外，在电离分子中还可观测到各种带电离子的回旋共振──离子回旋共振。回旋共振主要应用于半导体和金属的能带结构、载流子有效质量等的研究，也是实现研究旋电器件（如半导体隔离器）、微波参量放大器、负质量放大器、毫米波激射器和红外激光器的物理基础。

核磁共振元素周期表中绝大多数元素都有核自旋和核磁矩不为零的同位素。这些核在恒定磁场 B和横向高频磁场bo（ω）的同时作用下，在满足ωN=γNB 的条件下会产生核磁共振（γN为核磁旋比），也可在恒定磁场B突然改变方向时，产生频率为ωo=γB、振幅随时间衰减的核自由进动，它在某些方面与核磁共振有相似之处。在固体中，核受到外加场Be和内场Bi的作用，使共振谱线产生微小的移位（约0.1%～1%），在金属中称为奈特移位，在一般化合物中称为化学移位，在序磁材料中由于核外电子的极化会产生约1～10T的内场，称为超精细作用场。这些移位和内场反映核周围化学环境（指电子组态和原子分布等）的影响。研究核磁共振中的能量交换和转移的弛豫过程，包括核自旋－自旋弛豫和核自旋－点阵弛豫两种过程，也反映化学环境的影响。因此，核磁共振起着探测物质微观结构的微探针作用。核磁共振已成为研究各种固体（包括无机、有机和生物大分子材料）的结构、化学键、相变和化学反应等过程的重要方法。新发展的核磁共振成像技术不但与超声成像和X射线层析照相有相似的功能，而且还可能显示化学元素和弛豫时间的分布。

磁双共振固体中有两种或更多互相耦合的基团或磁共振系统时，一种基团或系统的磁共振可以影响另一种基团或系统的磁共振，因而可以利用其中的一种磁共振来探测另一种磁共振，称为磁双共振。例如可利用同一物质中的一种核的核磁共振来影响和探测另一种核的核磁共振，称为核－核磁双共振；可以用同一物质中的核磁共振来影响和探测电子自旋共振，称为电子－核磁双共振；也可利用光泵技术来探测其他磁共振（如核磁共振或顺磁共振），称为光磁双共振或光测磁共振。

本词条内容贡献者为:

康雁 - 教授 - 东北大学中荷生物医学与信息工程学院张耀楠 - 教授 - 东北大学中荷生物医学与信息工程学院