[科普中國]-核磁矩

定義

核磁矩是原子核的一種內(nèi)稟性質(zhì)，由核內(nèi)核子的內(nèi)稟自旋及核子的旋轉(zhuǎn)運動決定。表征原子核角動量的是核自旋量子數(shù)I。核角動量在空間任一特定方向的投影的最大值為?I，這里?=h/2π，h是Planck常數(shù)、核磁矩μI=γn?I=gnμnI，式中γn是核的旋磁比，gn是核g因數(shù)，核磁子μn=e?/2Mpc=5 .0504×10 J/T，Mp是質(zhì)子的質(zhì)量。對質(zhì)子(氫核)I=1/2，μI=2 .79268μn。

質(zhì)量數(shù)A為奇數(shù)的核的I為半整數(shù)；A為偶數(shù)，電荷數(shù)Z為奇數(shù)的核的I為非零整數(shù)； A與Z同為偶數(shù)的核的I=0，沒有磁矩。自然界共有約270種穩(wěn)定的原子核，其中的105種有核磁矩。1924年P(guān)auli為解釋原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)提出核有磁矩的假設(shè)。后來這一假設(shè)被大量的實驗證實。1

測量方法測量核磁矩的主要方法是原子束方法。核磁共振法獲得的結(jié)果精確度更高；但由于需要的樣品量大而使其應(yīng)用范圍受到限制。此外還有分子束方法，可見光譜及紫外光譜學(xué)方法，電子順磁共振方法等。2

原子束技術(shù)原子束和分子束是研究原子和分子的結(jié)構(gòu)以及原子和分子同其他物質(zhì)相互作用的重要手段。固體、液體和稠密氣體中原子或分子間距離較小，有著復(fù)雜的相互作用,很難研究其中孤立分子的性質(zhì),稀薄氣體中分子間距離較大，其相互作用隨壓強(qiáng)的減小變?nèi)酰蚍肿拥臒o規(guī)則運動，使得對分子本身的探測和研究較困難。在原子束或分子束中，原子或分子作準(zhǔn)直得很好的定向運動，它們之間的相互作用可以忽略，因此可以認(rèn)為束流是運動著的孤立原子或分子的集合，可用以研究分子、原子本身性質(zhì)以及分子、原子與其他粒子的相互作用。這類研究對原子和分子物理、氣體激光動力學(xué)、等離子體物理、微觀化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、空間物理、天體物理以及生物學(xué)的一些領(lǐng)域都非常重要。此外，還可用原子束、分子束來研究物體的表面和固體結(jié)構(gòu)。

當(dāng)分子具有磁或電偶極矩時，可以通過外加磁場和電場與偶極矩的相互作用來選擇偶極矩取向，使不同偶極矩的原子和分子在空間分離。采取這種措施，就可進(jìn)行精密的原子、分子束波譜實驗，精確測量原子核的磁矩，發(fā)展原子和分子的頻率或時間的測量標(biāo)準(zhǔn)。

核磁共振法利用核磁共振現(xiàn)象分析化合物結(jié)構(gòu)的方法，簡稱NMR。是1955年后迅速發(fā)展的一項技術(shù)。某些原子核由于自旋運動，會產(chǎn)生磁碭，猶如電流流過線圈產(chǎn)生磁場一樣。這些原子核的行為像小的磁棒，可以受外界強(qiáng)磁場的影響，在強(qiáng)磁場中其能量將分裂成兩個或兩個以上的量子化能級。當(dāng)適當(dāng)波長的電磁輻射(在射頻區(qū))照射置于強(qiáng)磁場下的這類原子核時，輻射能量被吸收，引起能級躍遷。所吸收的輻射能量與核能級差相等，引起核磁共振現(xiàn)象。測量被吸收的電磁輻射的頻率和吸收的程度便是核磁共振法的分析基礎(chǔ)。在一個固定的外界磁場中，確切的射頻吸收頻率與原子核在分子中的位置有關(guān)。化合物中的質(zhì)子(氫原子核)的吸收頻率并不是千篇一律的，而是隨質(zhì)子周圍的環(huán)境不同而不同，這種差別稱為化學(xué)位移。產(chǎn)生化學(xué)位移的原因，是核外電子云在外磁場的作用下產(chǎn)生感生磁場，使原子核實際受到外部磁場的作用有所降低，這種作用稱為屏蔽效應(yīng)。又由于相鄰原子核之間的相互作用等因素，會使每一個化學(xué)位移峰出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)。核磁共振法根據(jù)吸收峰的化學(xué)位移、精細(xì)結(jié)構(gòu)及峰面積，可對待測樣品進(jìn)行定性和定量分析，特別是用來分析化合物的結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用核磁距的研究使人們得到了核磁共振這一技術(shù)。核磁共振是核因有磁矩而產(chǎn)生的一種重要的效應(yīng)，在分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)和研究核性質(zhì)中有著重要的應(yīng)用。所以說原子核磁矩的存在是發(fā)生核磁共振的前提。核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。