原子核磁矩与核磁共振的历史、发展与展望
核磁共振技术及其应用进展
核磁共振技术及其应用进展一、概述核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance）技术是一种基于原子核自旋磁矩与外加磁场相互作用原理的物理技术，广泛应用于化学、物理、生物、医学等多个领域。
自20世纪40年代该技术被发现以来，经过数十年的发展，核磁共振技术已经从最初的基础研究拓展到了众多实际应用中，成为了现代科学研究和工业生产中不可或缺的重要工具。
核磁共振技术的基本原理是，具有自旋磁矩的原子核在外加恒定磁场的作用下，会发生能级分裂，当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同时，原子核就会吸收射频场能量而发生磁共振现象。
通过检测和分析这种磁共振现象，可以获取原子核种类、数量、位置、运动状态等信息，进而实现对物质结构和性质的深入研究。
随着科学技术的不断进步，核磁共振技术在硬件设备、数据处理方法等方面都得到了极大的提升，使其在应用方面取得了显著的进展。
目前，核磁共振技术已广泛应用于化学分子结构解析、生物医学成像、材料科学研究等领域，并且在石油勘探、食品工业、环境监测等领域也展现出了广阔的应用前景。
本文旨在综述核磁共振技术的基本原理、发展历程以及在各个领域的应用进展，旨在为读者提供一个全面而深入的核磁共振技术及其应用的认识，同时也期望能够推动核磁共振技术的进一步发展与应用。
1. 核磁共振技术的定义与基本原理核磁共振（NMR, Nuclear Magnetic Resonance）技术是一种基于原子核磁矩与外加磁场相互作用的物理现象的分析技术。
其基本原理是，当具有磁矩的原子核被置于一个强大的恒定磁场中时，原子核的磁矩将沿着磁场方向进行排列。
此时，如果向原子核施加一个与恒定磁场方向垂直的射频场，当射频场的频率与原子核的拉莫尔进动频率一致时，原子核就会吸收射频场的能量，发生能级跃迁，这种现象就称为核磁共振。
核磁共振技术的应用广泛，涵盖了化学、物理、医学、生物、材料科学等多个领域。
在医学领域，核磁共振成像（MRI）已经成为一种非常重要的医学影像技术，其无创、无辐射、高分辨率的特性使得它在临床诊断中具有不可替代的地位。
核磁共振技术的进展及应用前景
核磁共振技术的进展及应用前景随着科技的不断迭代和升级，各种新型技术层出不穷。
而核磁共振技术（NMR）作为一种重要的科学研究工具，已经得到广泛应用，特别是在生命科学和医学领域。
本文将从了解NMR的基本原理开始，梳理其在科学研究和医学应用方面的一些进展，以及它未来的发展趋势。
一、NMR基本原理核磁共振技术是一种基于磁共振现象的分析方法，其理论基础主要建立在两个方面：核自旋和外磁场。
不同的原子核有不同的能量状态或自旋取向，而这两种状态之间的能量差可以通过较强的磁场加热来实现，使核从基态跃迁到激发态。
当外磁场作用于原子核时，会引起围绕原子核的电子的磁场产生反应，从而改变电子环能级，使原子核有不同的磁矩，这种状态称为核磁共振。
通过核磁共振技术可以对固体、液体和气体等样品进行分析。
在这个过程中，将样品放置在一个较强的磁场中，然后用一些无线电波去激发原子核，激发后的原子核会在不同的时间段内逐渐回复到基态，过程中会发出一些电磁波。
这些电磁波可以通过一系列的电子设备进行检测和处理，从而得出样品的性质和组成。
二、NMR在科学研究中的应用1、物理化学方面核磁共振技术在物理化学研究方面发挥着重要的作用。
在材料学领域中，通过核磁共振技术可以了解物质的结构、动力学和几何构型，更加深入的了解材料的性质和特点。
例如，核磁共振技术可以帮助科学家更好的研究分子内部结构，从而对新型材料的制备、催化反应和超导材料等方面进行更深入的研究。
2、生命科学方面在生命科学和医学领域，核磁共振技术是一种非常有用的实验方法。
例如，在生物医学领域中核磁共振技术可以用于研究新药物和其它生物分子间的相互作用；在组织学领域中也可以通过核磁共振技术来研究组织中的细胞组分，从而更好的理解生物物质的组成和结构。
三、NMR在医学领域的应用1、诊断核磁共振技术在医学领域中的应用主要是用于诊断和治疗。
在医学成像方面，核磁共振技术可以生成高清晰度的图像，进而了解病变对组织结构的影响情况，给医师提供更全面的诊断信息。
核磁共振的发展史
第一代3.0T磁共振的磁体较长（超过3m），梯度性能较差，有 效视野很小（仅20cm）。为了让3.0T成为人体临床应用的主 流系统，飞利浦在2001年4月推出了业界第一款紧凑型3.0T磁 体Intera, 其磁体长度为业界最短的157cm。
2004年，Panorama 1.0T问世。该系统具有160厘米宽的开口， 使得临床医生能够为任何需要MRI扫描的患者进行成像检查。 这种新型MRI系统具有垂直领域设计，信噪比与1.5T圆柱型磁 体相似，这能够提供高质量图像，进行更加精确的诊断。
荷兰的莱顿大学利用这种设计在磁体周围加入多个电缆， 诞生了第一个具有主动屏蔽的磁体。
1984年，飞利浦革命性地推出了世界上第一个表面线圈， 得到的图像可以显示非常小的细节，再次引起了放射学界的轰 动。
早期的磁共振系统大且笨重，长度通常达到250cm, 重量在10 吨以上。为了提高病人的舒适度和操作的简易性，业界迫切需 要短轻紧凑型磁体的问世。
谢谢大家观看
随着研究队伍的壮大，该实验室在1978年组建了团队开 展“质子项目”的研究，并拥有了当时世界上最强大的一台长 达1米的0.15T磁体。
1980年12月3号，他们得到了第一幅人类头部核磁共振图 像。
后来，在优化了序列设计后，他们又获得了体部图像，放 射科医生也第一次看到了可分辨的器官。
1981年，实验室又成功获取到世界上第一张二维傅里叶变 换后的图像。
1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数 个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中பைடு நூலகம்再施加以特 定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这 就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了 1952年度诺贝尔物理学奖。
1974年科学家罗伯·洛赫尔和他的同事们在荷兰的中心实 验室开始了最初的核磁共振研究，并得到了著名的核磁共振图 像：“诺丁汉的橙子”。
磁共振现象
对图像进行定量和定性分析，提取有关样品的信息，如化学 位移、耦合常数等。
实验安全注意事项
磁场安全
确保磁场强度在安全范围内，避免对生物体造成 影响。
射频安全
合理控制射频场的功率和暴露时间，避免对实验 人员和样品造成热损伤。
样品安全
确保样品无毒、无害，避免对实验人员和环境造 成危害。
THANKS
3
射频脉冲的强度和持续时间可以调节，以控制原 子核的激发程度。
信号的接收与处理
01
当射频脉冲停止后，原子核会释放能量并回到低能 级状态。
02
释放的能量以电磁信号的形式被接收器捕捉，经过 处理后形成磁共振图像。
03
信号的处理包括信号放大、滤波、数字化等步骤， 以提取有用的信息。
磁共振图像的形成
通过将多个像素点的信号进行处 理，可以得到一幅磁共振图像。
谢谢
射频脉冲安全性
射频脉冲在人体组织中产生热效应， 需要控制热效应在安全范围内，避免 对组织造成损伤。
新技术发展与展望
人工智能辅助诊断
利用人工智能技术对磁共振图像进行自动分 析和诊断，提高诊断准确性和效率。
高磁场强度
高磁场强度可以提高图像分辨率和信噪比，是未来 磁共振成像的重要发展方向。
功能成像
功能成像技术可以提供更多关于人体生理和 病理过程的信息，有助于疾病的早期诊断和 治疗评估。
02
CHAPTER
磁共振原理
原子核的磁矩
01
原子核具有磁矩，即自旋角动量和磁矩。
02
原子核磁矩在外磁场中的取向不同，具有不同的能级。
当外界磁场变化时，原子核磁矩会受到能量变化的激发，产生
03
பைடு நூலகம்
核磁共振技术发展与展望
核磁共振技术的发展及展望摘要：核磁共振经过50多年的发展应用，使得此项技术迅速成为在物理、化学、生物、地质、计量、医学领域研究的强大工具。
高强磁场超导核磁共振仪的发展，灵敏度大大提高。
近来出现的用于医学诊断的核磁共振成像技术（MRI）,是自X光发现以来医学诊断的重大进展。
可以说NMR与诺贝尔奖结下了不解之缘。
关键词：核磁共振技术、原理、应用、展望一、核磁共振的概念核磁共振是指原子核在外加恒力磁场作用下产生能级分裂，从而对特定的电磁波发生共振吸收现象。
二、核磁共振的物理原理核磁共振是原子核在外磁场中，能级之间共振跃迁的现象。
我们知道，原子核带正电并有自旋运动，其自旋运动必将产生磁矩，称为核磁矩。
研究表明，核磁矩μ与原子核的自旋角动量S成正比, 即：μ γ = S。
式中γ为比例系数，称为原子核的旋磁比。
在外磁场中, 原子核自旋角动量的空间取向是量子化的, 它在外磁场方向上的投影值可表示为：I=m h。
m为核自旋量子数。
依据核磁矩与自旋角动量的关系，核磁矩在外磁场中的取向也是量子化的，它在磁场方向上的投影值为：μ=mγ h。
对于不同的核，m分别取整数或半整数。
在外磁场中, 具有磁矩的原子核具有相应的能量, 其数值可表示为：E = -u B = m γ h B。
式中B为磁感应强度。
可见，原子核在外磁场中的能量也是量子化的。
由于磁矩和磁场的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能级，相邻的两个能级之差为：ΔE =γ h B。
用频率适当的电磁辐射照射原子核，如果电磁辐射光子能量h ν 恰好为两相邻核能级之差ΔE，则原子核就会吸收这个光子，发生核磁共振的频率条件是:h ν= γ h B =γ h B/2π或ω= 2πν=γ B式中ν为频率，ω为圆频率。
对于确定的核, 旋磁比γ可被精确地测定。
可见, 通过测定核磁共振时辐射场的频率ν，就能确定磁感应强度;反之，若已知磁感应强度, 即可确定核的共振频率。
三、核磁共振技术的应用核磁共振可分为：固体核磁共振，液体核磁共振和核磁共振成像。
不能遗忘的磁共振发展史
不能遗忘的磁共振发展史------推广------一、磁共振的早期发展史1973年，当世界第一台CT扫描仪仅仅发布一年后，核磁共振的先驱之一，科学家罗伯·洛赫尔和他的同事们在荷兰的中心实验室开始了最初的核磁共振研究，并得到了著名的核磁共振图像：“诺丁汉的橙子”。
随着研究队伍的壮大，该实验室在1978年组建了团队开展“质子项目”的研究，并拥有了当时世界上最强大的一台长达1米的0.15T 磁体。
1980年12月3号，他们得到了第一幅人类头部核磁共振图像。
后来，在优化了序列设计后，他们又获得了体部图像，放射科医生也第一次看到了可分辨的器官。
不久，实验室又成功获取到世界上第一张二维傅里叶变换后的图像。
1983年末，美苏核危机愈演愈烈。
在这历史背景下，美国放射学会推荐将核磁共振（NMR）改为磁共振(MR)以缓解公众特别是患者对于对于核医学的担心，磁共振成像的术语也沿用至今。
当时，超导磁体逐渐开始流行。
超导拥有更高的场强，更均匀的磁场，可以大幅度提高图像质量。
响应时代的潮流，飞利浦于1983年生产出了第一台超导磁共振Gyroscan S5。
当时的超导磁体具有两个明显的缺点：液氦的价格较高，每升价格高达$50；磁体的长度较长（约8.5米），常规的检查室空间往往不够。
具有多元化技术优势的飞利浦率先解决了这些问题。
该公司生产的低温发生器可以冷却和液化气体，不仅减少了1/3的液氦消耗，同时还将充当隔热层的液氮淘汰出了历史舞台。
同时飞利浦电子部门提出了“穹窿”的设计机构，用来限制外部磁场的干扰,并将所需检查室的大小减小成原来的1/2至1/3。
荷兰的莱顿大学利用这种设计在磁体周围加入多个电缆，诞生了第一个具有主动屏蔽的磁体。
1984年，飞利浦革命性地推出了世界上第一个表面线圈，得到的图像可以显示非常小的细节，再次引起了放射学届的轰动。
二、紧凑型磁体革命早期的磁共振系统大且笨重，长度通常达到250cm, 重量在10吨以上。
核磁共振成像技术的发展与应用
核磁共振成像技术的发展与应用第一章：引言核磁共振成像技术，简称MRI（Magnetic Resonance Imaging），是一种非侵入性、无辐射的成像技术，通过利用原子核在强磁场和射频脉冲作用下产生共振信号，提供了关于人体内部结构和功能的详细信息。
本文将着重探讨核磁共振成像技术的发展历程及其应用领域。
第二章：核磁共振成像技术的发展历程2.1 早期发展核磁共振现象最早于20世纪30年代被发现，但当时只是作为一种物理现象而受到关注。
直到20世纪60年代，人们开始将核磁共振用于成像应用的研究。
早期的设备体积庞大、运作不稳定，限制了核磁共振技术的进一步发展。
2.2 技术突破与应用拓展随着核磁共振技术的逐渐成熟，人们开始针对设备的体积、稳定性等问题进行改进。
20世纪80年代，出现了第一台商业化的核磁共振成像设备，开启了核磁共振技术的广泛应用。
同时，通过引入新的信号处理算法和进一步优化成像参数，可生成更高质量的影像。
第三章：核磁共振成像技术的原理3.1 核磁共振现象核磁共振成像技术的基础是核磁共振现象。
在强磁场中，原子核会与外加射频脉冲交互作用，从而导致核自旋翻转并释放出信号。
这些信号经过一系列处理，最后转化成图像。
3.2 磁共振成像过程核磁共振成像过程主要包括磁场均匀性校正、脉冲序列设计、数据采集和图像重建等步骤。
通过合理选择磁场强度、脉冲参数和数据采集方式，可以获取不同组织的高对比度影像，为临床应用提供了有力的支持。
第四章：核磁共振成像技术的应用领域4.1 医学诊断核磁共振成像技术在医学领域有着广泛的应用。
它可以提供人体内部结构的高分辨率影像，帮助医生准确诊断各种疾病，特别是对于脑部、胸部和骨骼等部位的疾病具有很高的敏感性和特异性。
4.2 神经科学研究核磁共振成像技术在神经科学研究中也发挥着重要作用。
它可以实时观察脑活动的变化，并与行为、认知等进行关联。
通过脑功能连接分析和结构与功能的关联分析，可以揭示脑功能网络的组织和工作原理。
原子核的磁矩与自旋的测量技术及其在核能源开发中的应用价值
原子核的磁矩与自旋的测量技术及其在核能源开发中的应用价值原子核是构成物质的基本组成部分之一，其内部不仅含有质子和中子，还具有磁性。
研究原子核的磁矩与自旋是理解原子核结构和性质的关键所在。
本文将探讨原子核的磁矩与自旋的测量技术，并分析其在核能源开发中的应用价值。
一、原子核的磁矩与自旋的意义与特性原子核的磁矩(M)是指原子核产生的磁场的大小和方向。
磁矩的产生与原子核内部质子和中子的自旋(s)和电荷(e)有关。
根据量子力学理论，原子核的自旋量子数为s且其取值为1/2、3/2、5/2等。
而每个自旋量子数对应的磁矩大小可以由以下公式计算得出：M = g * s * h / (4 * π * m)其中，g为朗德因子，h为普朗克常数，m为质子或中子的质量。
原子核的磁矩与自旋的测量可以通过核磁共振(NMR)和电子自旋共振(ESR)等技术实现。
在NMR中，通过对被测样品施加外加磁场并用高频和低频电磁场辐射样品，使得原子核的磁矩发生转动，并通过测量其吸收谱线来获得原子核的自旋和磁矩信息。
而在ESR中，则是利用微波辐射与电子的自旋相互作用，测量电子自旋的信息。
二、原子核磁矩与自旋的测量技术1. 核磁共振技术核磁共振技术是基于原子核自旋的特性进行研究的一种重要手段。
它不仅可以用于化学、生物医学等领域，还可以在核能源开发中发挥重要作用。
核磁共振技术通过测量样品中原子核的共振频率来研究其磁矩与自旋信息，并通过谱线的位置、形状等特征来分析样品的结构和性质。
核磁共振技术具有非侵入性、无辐射、高分辨率等优点，能够提供大量关于原子核的物理信息。
在核能源开发中，核磁共振技术可用于对核燃料和废物的分析，以及核反应堆中材料的性能评估和高温高压等极端条件下的反应过程研究。
2. 电子自旋共振技术电子自旋共振技术是研究电子自旋和磁矩的重要手段之一。
它利用微波辐射与电子自旋的相互作用，通过测量电子吸收或发射的微波信号来获取电子自旋和磁矩的相关信息。
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原子核磁矩与核磁共振的历史、发展与展望09061209 陈曲摘要本文通过解释原子核磁矩的产生，引出核磁共振现象与核磁矩之间必然的联系，接着，通过回顾核磁共振现象最早的发现，以及后来在各个领域的发展（本文主要论述医学和找水源问题的发展）、现状，和对于今后该领域的前景和目前存在的问题加以论述。
关键词原子核磁矩、核磁共振、计算机断层扫描技术、核磁共振计算机断层扫描技术绪论原子核磁矩（nuclear magnetic moment）是核的性质之一，由核内质子和中子的自旋磁矩所组成。
反映了核内电流分布状况，与核内核子的运动状态有关。
构成原子核的质子和中子都有一定的磁矩；带电的质子在核内运动也会产生磁矩。
二者总效应使原子核具有一定的磁矩。
核磁矩的值有正有负，表示核磁矩的方向与自旋角动量方向相同或相反。
测量核磁矩比较精确的方法是核磁共振法。
核磁共振是核因有磁矩而产生的一种重要的效应，在分析物质结构和研究核性质中有着重要的应用。
所以说原子核磁矩的存在是发生核磁共振的前提。
如何判断磁矩的方向和反转呢？这个要用右手螺旋定则来判断。
四个指头指向电流的方向，那么大拇指的所指方向就是磁矩的方向。
核磁共振的定义用一句话来说就是：核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。
核磁共振的主要用途是高分辨率成像1，例如分子结构的测定、元素的定量分析、生命组织研究中的应用、药品鉴定等等，但是，在我看来，核磁共振在生活中的应用最主要的就是医学上对病变的生物组织进行高清晰，高分辨率成像了。
磁共振检查是将人体置于均匀磁场当中，通过物理办法让人体质子发生共振，通过线圈收集不同组织的信号，经过计算机处理，获得任意方向、角度解剖病变的图像。
通过前沿分子信号分析，能够更早、更准确地得出医学影像诊断，广泛应用于中枢神经系统、骨与关节系统、心脏及大血管实质脏器、软组织肌肉等，具有其它医疗设备难以比拟的优势。
本次论文主要要研究的内容是原子核磁矩与核磁共振的前身，现状以及今后对于发展的展望，希望更多的有识之士能够推动核磁共振这一技术的发展，为核磁共振能够更多更好地服务人们而奋斗。
一、核磁共振的历史（一）核磁共振现象的发现1930年代，伊西多²拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。
这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。
由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。
1946年，費利克斯²布洛赫和愛德華²珀塞尔发现，將具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置於磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。
为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。
（二）核磁共振技术早期的科研应用人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。
（三）核磁共振技术的早期医学应用2医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗²劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊的内部结构图像。
劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治疗和诊断。
2003年，保罗²劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得²曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。
二、核磁共振的基本原理3（一）实验原理本实验以氢核和氟核为研究对象，下面以氢核为例，应用量子力学的理论，阐明核磁共振的基本原理。
概括地说，所谓“NMR ”，就是自旋核磁矩（μI ）不为零的原子核，在恒定外磁场的作用下发生塞曼分裂，这时如果在垂直于外磁场方向加上高频电磁场（射频场），当射频场的能量（h υ）刚好等于原子核两相邻能级的能量差时（ΔE ），则射频场的能量被原子核吸收，从而产生核磁共振吸收现象，称之为“NMR ”。
1、单个核的核自旋与核磁矩原子核内所有核子的自旋角动量与轨道角动量的矢量和为IP，其大小为)1(+=I I P I ⑴其中I 为核自旋量子数，人们常称I 为核自旋，可取I = 0，1/2，1，3/2，……。
对氢核来说，I = 1/2。
由于自旋不为0的原子核有磁矩μ，它和核自旋PI 的关系为IN PP g m e2=μ ⑵式中mP 为质子的质量，gN 称为核的朗德因子，它决定于核的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。
大多数核的gN 为正值，少数核的gN 为负值，|gN | 的值在0.1~6之间。
对氢核（即质子）来讲gN = 5.585694772。
把氢核放入外磁场B 中，可取坐标Z 方向为B 的方向。
于是，核磁矩μ在外磁场B方向的投影为IBN PB P g m e 2=μ ⑶PIB 为核的自旋角动量在B 方向投影值，由下式决定M P IB = ⑷ M 为自旋磁量子数，M = I ，I -1，……，-I 。
I 一定时，M 共有2I+1个取值。
将公式⑷代入⑶得：Mg M g m e N N N PB μμ==2 ⑸式中PN m e 2 =μ，称作核磁子，其数值计算得：μN =5.0575866³10-27J/T 。
通常把μBmax 称作核的磁矩，并记作NN I g μμ= ⑹如以μN 为单位μ= gNI ，实验测出质子的磁矩μP =2.792847386μN 。
核磁矩μ与核自旋角动量PI 的比值叫作旋磁比（magnetogyric ratio ），又称磁旋比或回磁比，原子核的旋磁比用γN 表示IN P μγ=由公式⑵有NN N PNg g m e μγ==2 ⑺可见，不同的核其γN 是不同的，其大小和符号决定于gN ，也即决定于核的内部结构与特性。
2、核磁矩与恒定外磁场的相互作用能由电磁学知道，磁矩为μ的核在恒定外磁场B 中具有势能：MBMB g B B E N N N Bγμμμ-=-=-=⋅-= ⑻任何两个能级之间的能量差为)()()(2121M M B g M E M E N N --=-μ因氢核的自旋量子数I = 1/2，所以磁量子数M 只能取两个值，即1/2与 -1/2。
核磁矩在外磁场B 方向上的投影也只能取两个值 B g E N N μ211+= （当M = -1/2时） Bg E N N μ212-= （当M = 1/2时）如图1所示。
根据量子力学的选择定择，只有ΔM = ±1的两个能级之间才能发生跃迁，两个跃迁能级之间的能量差为0B B g E N N N γμ==∆ ⑼这能量差又称能级的裂距，同一核能级的各相邻子能级（又称塞曼子能级）间的裂距是相等的。
从公式⑼和核能级分裂图可知，相邻子能级间的能量差ΔE 与外磁场0B 的大小成正比。
3、核磁共振的条件对于处于恒定外磁场B0的氢核，如果在垂直于恒定外磁场B0的方向上再加一交变电磁场B1，就有可能引起氢核在子能级间的跃迁。
跃迁的选择定则是磁量子数M 改变ΔM = ±1。
这样，当交变电磁场B1（也称射频磁场）的频率υ所相应的能量h υ刚好等于氢核两相邻子能级的能量差ΔE 时，即000B B g h N N N γμν== ⑽ 则氢核就会吸收交变电磁场的能量，由21=M 的低能级E1跃迁至21-=M 高能级E2，这就是核磁共振吸收条件。
由公式⑽可得发生核磁共振的条件πγγμν200B hB hB g N N N N ===满足上式的υ0称作共振频率。
如用圆频率002πνω=表示，则共振条件可表示为0B N γ=ω ⑾对于氢核，其旋磁比γN 是已知的。
由上式可知，核磁共振条件取决于两个因素：γN （或者说gN ）和外磁场B 。
，不同的原子核，其γN （或gN ）值不同，当然（即使B 一定）其共振频率υ0也不同。
这就是用核磁共振方法了解甚至测量原子核某些特性的原因。
此外，对同种核，若B 越大，其子能级间的裂距就加大，当然相应的共振频率υ0也会加大。
4、核磁共振信号强度的分析上面讲的是单个氢核在外磁场中核磁共振的基本原理。
但实验中所用的样品（水）是大量同类（¹H ）核的集合，要维持核磁共振吸收的进行，就必须使处于低子能级上的原子核（¹H ）数多于高子能级的原子核（¹H ）数。
实际上，在热平衡的状态下，核在两个能级上的分布服从玻耳兹曼分布规律：)exp()exp(12kTB g kTE N N N N μ-=∆-= ⑿式中N1为低子能级上的核数目，N2为相邻高子能级上的核数目，ΔE 为两个子能级间的能量差，k 为玻耳兹曼常数，T 为绝对温度。
当gN μN B << kT 时，公式⑿可近似地写成kT BkTB g N N N N Nγμ-=-=1112⒀此式表明：低能级上的核数目比高能级的核数目要略微多些，所以才能观察到核磁共振信号。
为了对此情况有一个数量概念，具体计算如下：设室温t =27℃，则T=273+27=300K 。
外磁场B0=1特斯拉。
样品为氢核（质子），其旋磁比γN =2.67522128MHz/T ，k=1.38066³10-23J/K 。
将以上数值代入⒀式得6121078.61-⨯-=N N 或变成6121107-⨯≈-N N N ⒁此式说明：在室温下，每百万个1H 核总数中，两个子能级上的¹H 核数目之差N1 -N2 ≈7个，所观察的核磁共振信号完全是由这个核数目差值形成的。
可见，核磁共振信号是何等的微弱。
要想增强核磁共振信号，从式⒀可知，必须尽可能减小N2/ N1比值，即要求外磁场B 尽可能地大。
（早年核磁共振使用的B 为1.4T ，近年由于超导磁场的使用，B 可达14T ）。
值得指出的是，要想观察到明显的核磁共振信号，仅仅磁场强些还不行，磁场还必须在样品（¹H ）范围内高度均匀，否则磁场不论多么强也观察不到核磁共振信号。