核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）是在强磁场下电磁波与原子核自旋相互作用的一种基本物理现象。NMR波谱学的研究是以原子核自旋为探针，详尽反映原子核周围化学环境的变化。自NMR现象发现至今，该领域的重要贡献者已五次获得诺贝尔奖。1944年，美国科学家RabiII因建立用分子束实验测量原子核磁性质的共振方法荣获诺贝尔物理学奖；1952年，美国科学家BlochF和PurcellEM因发现宏观物质的NMR现象荣获诺贝尔物理学奖；1991年，瑞士科学家ErnstRR因对二维NMR及傅里叶变换NMR的突出贡献荣获诺贝尔化学奖；2002年，瑞士科学家Wuthrich因其在发展NMR波谱学测定溶液中生物大分子三维结构方面的开创性贡献分享了诺贝尔化学奖；2003年，美国科学家Lauterbur和英国科学家Mansfield因其在磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI)领域的突出贡献荣获诺贝尔生理学或医学奖。后三次诺贝尔奖标志着NMR研究领域已从早期的物理学进人到化学和生命科学的广阔天地。NMR波谱学不仅可用来对各种有机物和无机物的结构、成分进行定性分析，而且还可用于定量研究。与紫外一可见光谱法和红外光谱法类似，NMR波谱也属于吸收光谱。与其他谱学分析方法，如质谱、红外光谱等相比，NMR波谱灵敏度相对较低，但它提供原子水平上的结构信息量是其他方法所无法比拟的。在已发现的利用共振现象的谱学中，NMR波谱学具有最高的频率分辨率。目前，NMR波谱技术已成为化学、物理、生物、医药等领域中最重要的仪器分析手段之一。

核磁共振基本原理

一、原子核的自旋和磁矩

原子核的自旋是NMR理论中一个最基本的概念。它同质量和电荷一样，是原子核的自然属性，由自旋量子数I表征。根据量子力学原理，不同原子核的I值只能取整数或半整数。具有自旋的原子核会产生自旋角动量。若用P来表示原子核的自旋角动量，其绝对值可表示为

式中h是Planck常量，、=h/2π为约化Planck常量。

原子核由中子和质子所组成，有相应的质量数和电荷数。带电荷的原子核绕一定的转轴转动，其效果与通电螺线管的环路电流相似。因此，可将这类原子核看小磁体。

核自旋量子数I不为零的原子核具有磁矩。通常用μ表示核磁矩，它与核自旋角动量P有如下的关系：

μ＝γP

式中γ称为核的磁旋比。不同的原子核具有不同的磁旋比，因而γ是原子核的特征常数。

把一个可自由转动的核磁矩放在外磁场B₀中，如果μ的方向与磁场的方向不平行，磁矩将受到一个力矩L的作用，L大小为：L=μB₀sinθ，θ是μ和B₀的夹角，用矢量式表示可写成：L=μ×B₀。磁场的力矩导致核磁矩绕磁场方向转动。

核磁矩在外场作用下以一定的角速度产生进动，进动角速度一般用ω0表示：

ω0=γB₀=2πv₀

式中v₀为原子核的进动频率，单位为Hz。由于核磁矩在与磁场方向平行时能量最低，经过一定时间，θ减小到0,即核磁矩定向排列。此时自旋核不再受到力矩作用，进动停止。若再加一个垂直于磁场方向的射频场，核磁矩便离开平衡位置，进动重新开始。

原子核的磁矩与自旋量子数I密切相关，I的取值是由原子核的质子数和中子数决定的，具体可分以下三种情况：

(1)质子数和中子数都为偶数的原子核，其自旋量子数为零，如12C，16O,32S等。这类核不能利用NMR进行研究。

(2)质子数与中子数一个为奇数，一个为偶数，其自旋量子数为半整数，即I=1/2,3/2,5/2,…。如1H,13C,19F,31P等核的I=1/2;11.B,33S,35Cl等核的I=3/2;17O核的I=5/2。利用NMR可对这类核进行研究。

(3)质子数和中子数都是奇数，其自旋量子数为正整数，如2H和14N等核的I=1。利用NMR也可对这类核进行研究。

由上可见，并不是所有的原子核都有磁矩。具有磁矩的原子核称为磁性核，只有磁性核才是NMR的研究对象。

二、核磁矩的空间量子化

根据量子力学原理，核磁矩在外磁场的空间取向是量子化的，只能取一些特定的方向。若外磁场沿z方向，自旋量子数为I的核磁矩在z轴上的投影为：μz=γmh，其中m称为磁量子数，其可能的取值为-I，-I十1,…,I-1，I，对应于2I十1个空间取向。例如，对于自旋I=1的核，可有m=1,0,-1三个取向；对于自旋I=1/2的核，只有m=1/2和一1/2两种空间取向。

从能量的角度来看，磁矩μ与外磁场B0的相互作用能为

E=-μB0=-μzB0＝-γmhB0

该能量也称为核自旋的Zeeman相互作用能。量子力学的选择定则只允许△m＝±1的跃迁，这样相邻能级之间发生跃迁所对应的能量差为

△E=hγB0

I=3/2原子核的磁矩在外磁场作用下的空间取向及其相互作用能级图。

三、核磁共振的条件

在外磁场B0中，磁性核相邻两能级的能量差为：△E=γhB0。当用频率等于核自旋进动频率，。的射频场照射试样时，处于低能态的核自旋便吸收射频能量，从低能态跃迁到高能态，这就是NMR吸收。强弱不同的吸收信号与频率的关系即为NMR谱。

假设射频的频率为，，则其能量

Ev=hv=hω

发生共振时，射频场的能量等于核能级跃迁的能量差。即Ev=△E，因此ω=γB0=2πv，此即NMR的基本方程。结合式ω0=γB0=2πv0，得到产生NMR的基本条件为：ω=ω0=γB0。“核磁共振”定义就是：处于静磁场中的核自旋不为零的体系，受到一个频率等于核自旋进动频率的射频场激励，所发生的吸收射频场能量的现象。核自旋体系、静磁场与射频场是产生核磁共振不可缺少的三个要素。