基本介紹
- 中文名：自旋磁共振現象
- 外文名：Spin Magnetic Resonance Phenomenon
- 所屬領域：物理
發展簡史,基本原理,實驗方法,具體分類,鐵磁共振,亞鐵磁共振,反鐵磁共振,順磁共振,迴旋共振,核磁共振,磁雙共振,
發展簡史
磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學技術發展的基礎上被發現的。1945年首先在順磁性Mn鹽的水溶液中觀測到順磁共振，第二年，又分別用吸收和感應的方法發現了石蠟和水中質子的核磁共振；用波導諧振腔方法發現了Fe、Co和Ni薄片的鐵磁共振。1950年在室溫附近觀測到固體Cr2O3的反鐵磁共振。1953年在半導體矽和鍺中觀測到電子和空穴的迴旋共振。1953年和1955年先後從理論上預言和實驗上觀測到亞鐵磁共振。隨後又發現了磁有序系統中高次模式的靜磁型共振（1957）和自旋波共振（1958）。1956年開始研究兩種磁共振耦合的磁雙共振現象。這些磁共振被發現後，便在物理、化學、生物等基礎學科和微波技術、量子電子學等新技術中得到了廣泛的套用。例如順磁固體量子放大器，各種鐵氧體微波器件，核磁共振譜分析技術和核磁共振成像技術及利用磁共振方法對順磁晶體的晶場和能級結構、半導體的能帶結構和生物分子結構等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數的測定也是以各種磁共振原理為基礎發展起來的。
用核磁共振現象製成的MR成像設備
用核磁共振現象製成的MR成像設備磁共振成像技術由於其無輻射、解析度高等優點被廣泛的套用於臨床醫學與醫學研究。一些先進的設備製造商與研究人員一起，不斷最佳化磁共振掃瞄器的性能、開發新的組件。例如：德國西門子公司的1.5T超導磁共振掃瞄器具有神經成像組件、血管成像組件、心臟成像組件、體部成像組件、腫瘤程式組件、骨關節及兒童成像組件等。其具有高解析度、磁場均勻、掃描速度快、噪聲相對較小、多方位成像等優點。
基本原理
當M是順磁體中的原子（離子）磁矩時，這種磁共振就是順磁共振。當M是鐵磁體中的磁化強度（單位體積中的磁矩）時，這種磁共振就是鐵磁共振。當M=Mi是亞鐵磁體或反鐵磁體中第i個磁亞點陣的磁化強度時，這種磁共振就是由 i個耦合的磁亞點陣系統產生的亞鐵磁共振或反鐵磁共振。當M是物質中的核磁矩時，就是核磁共振。這幾種磁共振都是由自旋磁矩產生的，可以統一地用經典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ[相應的矢量方程為d M/dt=γ（ M×B]來描述。
迴旋共振帶電粒子在恆定磁場中產生的共振現象。設電荷為q、質量為m的帶電粒子在恆定磁場B中運動，其運動速度為v。當磁場B與速度v相互垂直時，則帶電粒子會受到磁場產生的洛倫茲力作用，使帶電粒子以速度v繞著磁場B旋轉，旋轉的角頻率稱為迴旋角頻率。如果在垂直B的平面內加上高頻電場E（ω）（ω為電場的角頻率），並且ω=ωc，則這帶電粒子將周期性地受到電場E（ω）的加速作用。因為這與回旋加速器的作用相似，故稱迴旋共振。又因為不加高頻電場時，這與抗磁性相類似，故亦稱抗磁共振。當v垂直於B時，描述這種共振運動的方程是d（mv）/dt=q（vB）,若用量子力學圖像描述，可以把迴旋共振看作是高頻電場引起帶電粒子運動狀態在磁場中產生的朗道能級間的躍遷，滿足共振躍遷的條件是：
ω=ωc。
磁共振
磁共振各種固體磁共振在恆定磁場作用下的平衡狀態，與在恆定磁場和高頻磁場（迴旋共振時為高頻電場）同時作用下的平衡狀態之間，一般存在著固體內部自旋（磁矩）系統（迴旋共振時為載流子系統）本身及其與點陣系統間的能量轉移和重新分布的過程，稱為磁共振弛豫過程，簡稱磁弛豫。在自旋磁共振的情形，磁弛豫包括自旋（磁矩）系統內的自旋-自旋（S-S）弛豫和自旋系統與點陣系統間的自旋-點陣（S-L）弛豫。從一種平衡態到另一種平衡態的弛豫過程所經歷的時間稱為弛豫時間，它是能量轉移速率或損耗速率的量度。共振線寬表示能級寬度，弛豫時間表示該能態壽命。磁共振線寬與磁弛豫過程（時間）有密切的聯繫，按照測不準原理，能級寬度與能態壽命的乘積為常數，即共振線寬與弛豫時間（能量轉移速度）成反比。因此，磁共振是研究磁弛豫過程和磁損耗機制的一種重要方法。
實驗方法
通常，當外加恆定磁場Be在0.1～1.0T（材料的內磁場BBe）時，各種與電子有關的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。這是因為原子核質量與電子質量之比至少1836倍的緣故。雖然觀測這兩類磁共振分別套用微波技術和無線電射頻技術，但其實驗裝置的組成與測量原理卻是類似的。磁共振實驗裝置由微波（或射頻）源、共振系統、磁場系統和檢測系統組成，如圖3。微波（或射頻）源產生一定角頻率ω（或頻率掃描）的電磁振盪，送到裝有樣品的共振系統（共振腔或共振線圈），共振系統中的高頻磁場bω[迴旋共振時為電場E（ω）]與磁場系統產生的恆定磁場B 垂直，當保持源的頻率不變而改變恆定磁場強度（磁場掃描），或保持恆定磁場強度不變而改變源的頻率（頻率掃描），達到共振條件ω=γH 時，檢測系統便可測得樣品對高頻電磁能量的吸收Pa與磁場B（或頻率ω）的關係，即共振吸收曲線,如圖4a。在共振信號微弱（例如核磁共振或順磁共振）的情況下，可以採用調製技術，測量共振吸收微分曲線，以提高檢測靈敏度。磁共振的重要參數是發生最大共振吸收的共振磁場Bo、共振線寬（相應於最大共振吸收一半的磁場間隔）ΔB、共振吸收強度（最大吸收P或共振曲線面積）和共振曲線形狀（包括對稱性和精細結構等）。當共振曲線為洛倫茲線型時，共振微分曲線的極值間隔ΔBpp與共振線寬ΔB具有簡單的關係：。在採用頻率掃描代替磁場掃描時，相應的共振曲線和參數中的磁場B都換為角頻率ω，如共振頻率ωo，共振線寬Δω等。在特殊情況下，還可以採用脈衝源、傅立葉變換、多次累積等技術來提高靈敏度或解析度等。
磁共振
磁共振具體分類
具有不同磁性的物質在一定條件下都可能出現不同的磁共振。下面列出物質的各種磁性及相應的磁共振：各種磁共振既有共性又有特性。其共性表現在基本原理可以統一地唯象描述，而特性則表現在各種共振有其產生的特定條件和不同的微觀機制。迴旋共振來自載流子在軌道磁能級之間的躍遷，其激發場為與恆定磁場相垂直的高頻電場，而其他來自自旋磁共振的激發場為高頻磁場。核磁矩比電子磁矩約小三個數量級，故核磁共振的頻系和靈敏度都比電子磁共振的低得多。弱磁性物質的磁矩遠低於強磁性物質的磁矩，故弱磁共振的靈敏度又比強磁共振低，但強磁共振卻必須考慮強磁矩引起的退磁場所造成的影響。
下面分別介紹幾種主要的磁共振。
鐵磁共振
鐵磁體中原子磁矩間的交換作用使這些原子磁矩在每個磁疇中自發地平行排列。一般，在鐵磁共振情況下，外加恆定磁場已使鐵磁體飽和磁化，即參與鐵磁共振進動運動的是彼此平行的原子磁矩（飽和磁化強度Ms）。鐵磁共振的這一特點引起的主要效應是：鐵磁體的退磁場成為影響共振的一項重要因素，因此必須考慮共振樣品形狀的影響；鐵磁體內交換作用場與磁矩平行，磁轉矩為零，故對共振無影響；鐵磁體內磁晶各向異性對共振有影響，可看作在磁矩附近的易磁化方向存在磁晶各向異性有效場。在特殊情況下，例如當高頻磁場不均勻時，會激發鐵磁耦合磁矩系統的多種進動模式，即各原子磁矩的進動幅度和相位不相同的非一致進動模式，稱為非一致（鐵磁）共振。當非一致進動的相鄰原子磁矩間的交換作用可忽略，樣品線度又小到使傳播效應可忽略時，這樣的非一致共振稱為靜磁型共振。當非一致進動的相鄰原子磁矩間的交換作用不能忽略（如金屬薄膜中）時，這樣的非一致共振稱為自旋波共振；當高頻磁場強度超過閾值，使共振曲線和參數與高頻磁場強度有關時，稱為非線性鐵磁共振。鐵磁共振是研究鐵磁體中動態過程和測量磁性參量的重要方法，也是微波磁器件（如鐵氧體的隔離器、環行器和相移器）的物理基礎。
亞鐵磁共振
亞鐵磁體是包含有兩個或更多個不等效的磁亞點陣的磁有序材料，亞鐵磁共振是亞鐵磁體在居里點以下的磁共振。在巨觀磁性上，通常亞鐵磁體與鐵磁體有許多相似的地方，亞鐵磁共振與鐵磁共振也有許多相似的地方。因此，習慣上常把一般亞鐵磁共振也稱為鐵磁共振。但在微觀結構上，含有多個磁亞點陣的亞鐵磁體與只有一個磁點陣的鐵磁體有顯著的差別。這差別會反映到亞鐵磁共振的一些特點上。這些特點是由多個交換作用強耦合的磁亞點陣中磁矩的複雜進動運動產生的，主要表現在：有兩種類型的磁共振，即共振不受交換作用影響的鐵磁型共振和共振主要由交換作用決定的交換型共振，在兩個磁亞點陣的磁矩互相抵消或動量矩相互抵消的抵消點附近，共振參量（如g因子共振線寬等）出現反常的變化，在磁矩和動量矩兩抵消點之間，法拉第旋轉反向。這些特點都已在實驗上觀測到。亞鐵磁共振的套用基本同鐵磁共振的一樣，其差別僅在套用上述亞鐵磁共振的特點（如g因子的反常增大或減小，法拉第旋轉反向等）時才表現出來。
反鐵磁共振
磁共振
磁共振一般反鐵磁體的BE和BA都較高，反鐵磁共振發生在毫米或亞毫米波段。除套用於基礎研究外，可利用其強內場作毫米波段或更高頻段的隔離器等非互易磁器件。
順磁共振
具有未抵消的電子磁矩（自旋）的磁無序系統，在一定的恆定磁場和高頻磁場同時作用下產生的磁共振。若未抵消的電子磁矩來源於未滿充的內電子殼層（如鐵族原子的3d殼層、稀土族原子的4f殼層），則一般稱為（狹義的）順磁共振。若未抵消的電子磁矩來源於外層電子或共有化電子的未配對自旋[如半導體和金屬中的導電電子、有機物的自由基、晶體缺陷（如位錯）和輻照損傷（如色心）等]產生的未配對電子，則常稱為電子自旋共振。順磁共振是由順磁物質基態塞曼能級間的躍遷引起的，其靈敏度遠不如強磁體的磁共振高。如果在非順磁體（某些生物分子）中加入含有自由基的分子（稱為自旋標記），則也可在原來是抗磁性的物質中觀測到自旋標記的順磁共振。順磁共振技術已較廣泛地套用於各種含順磁性原子（離子）和含未配對電子自旋的固體研究。既可研究固體的基態能譜，又可研究固體中的相變、弛豫和缺陷等的動力學過程。微波固體量子放大器也是在固體順磁共振研究的基礎上發展起來的。
迴旋共振
亦稱抗磁共振。固體中的載流子（電子及空穴）和電漿以及電離氣體在恆定磁場 B和橫向高頻電場E（ω）的同時作用下，當高頻電場的頻率ω與帶電粒子的迴旋頻率相等，ω=ωc，這些帶電粒子碰撞弛豫時間τ遠大於高頻電場周期，即τ≥1/ω時，便可觀測到帶電粒子的迴旋共振。因此，迴旋共振常是在高純、低溫（τ大）和強磁場（ωc高）、高頻率的條件下進行觀測，其顯著特徵是在各向同性介質中，介電常數ε和電導率σ成為張量,稱為旋電性。這與其他的磁矩（自旋）系統的磁共振中磁導率 μ為張量（稱為旋磁性）不相同。此外，在電離分子中還可觀測到各種帶電離子的迴旋共振──離子迴旋共振。迴旋共振主要套用於半導體和金屬的能帶結構、載流子有效質量等的研究，也是實現研究旋電器件（如半導體隔離器）、微波參量放大器、負質量放大器、毫米波激射器和紅外雷射器的物理基礎。
核磁共振
元素周期表中絕大多數元素都有核自旋和核磁矩不為零的同位素。這些核在恆定磁場 B和橫向高頻磁場bo（ω）的同時作用下，在滿足ωN=γNB 的條件下會產生核磁共振（γN為核磁旋比），也可在恆定磁場B突然改變方向時，產生頻率為ωo=γB、振幅隨時間衰減的核自由進動，它在某些方面與核磁共振有相似之處。在固體中，核受到外加場Be和內場Bi的作用，使共振譜線產生微小的移位（約0.1%～1%），在金屬中稱為奈特移位，在一般化合物中稱為化學移位，在序磁材料中由於核外電子的極化會產生約1～10T的內場，稱為超精細作用場。這些移位和內場反映核周圍化學環境（指電子組態和原子分布等）的影響。研究核磁共振中的能量交換和轉移的弛豫過程，包括核自旋－自旋弛豫和核自旋－點陣弛豫兩種過程，也反映化學環境的影響。因此，核磁共振起著探測物質微觀結構的微探針作用。核磁共振已成為研究各種固體（包括無機、有機和生物大分子材料）的結構、化學鍵、相變和化學反應等過程的重要方法。新發展的核磁共振成像技術不但與超聲成像和X射線層析照相有相似的功能，而且還可能顯示化學元素和弛豫時間的分布。
