李藤新一new
核磁共振（NMR）是指具有核磁矩的物質在磁場作用下發生能級分裂，並在合適頻率的電磁場激勵下發生能級躍遷，吸收並且重新發射電磁輻射的現象。具體什麼頻率的電磁波可以使原子核發生能級躍遷，這取決於分裂能級之間的能量差，而這個能量差又和外加磁場有關。在實際應用中，頻率一般在60~1000MHz。NMR可以觀察到一些特定原子核的磁學性質，因此可以用於分子物理、晶體學研究等等。當然我們熟知的還有用於醫學的核磁共振成像。
基本原理
想要讓一個原子核發生核磁共振，需要以下幾個步驟：
給原子核一個合適的豎直方向的磁場，使原子核在磁場下發生能級分裂，分別對應於自旋1/2和自旋-1/2；
通過加一個垂直方向（即水平面）的交變電磁場，如果電磁場的頻率合適，則核將會吸收電磁場能量從低能級躍遷到高能級。
兩個場之所以選成相互垂直，可以使核磁共振的強度最大。發生核磁共振之後，核自旋的磁矩就會發生一個變化，表現在宏觀上是磁化強度的變化，這種變化可以被核磁共振譜儀探測到，從而展現為系統磁化強度隨電磁場頻率的變化。根據最後繪製出的圖譜我們便可以判斷出相應原子核的核磁共振頻率。
研究歷史
核磁共振現象最開始由Rabi於1938年提出並進行了對分子束的相關核磁共振測量，他因此獲得了1944年的諾貝爾物理學獎；1946年，Bloch和Purcell將此項技術擴展到了液體和固體，他們因此也一起分享了1952年的諾貝爾物理學獎。
圖1. 為核磁共振做出貢獻的三位科學家，從左到右依次是Rabi，Bloch，Purcell。
Rabi, Bloch和 Purcell觀察到了把具有磁矩的原子核（比如1H和31P）放入磁場中時可以吸收射頻輻射的能量，而對應於每一種特定的原子核，總是對應於一種特定頻率的電磁輻射。這種現象允許我們可以通過測量共振頻率研究分子中的化學成分或結構信息。
核磁共振譜學
我們可以 根據核磁共振研究物質的結構、反應動力學、化學反應價態、分子所處的化學環境等等。下圖是乙醇的核磁共振譜。其中橫座標為化學位移，縱座標為信號強度。從圖中可以看出乙醇分子中有三種不同化學環境的氫原子。
圖2. 乙醇的核磁共振譜
核磁共振成像
核磁共振成像（MRI）是一種醫學成像技術，屬於放射科，可用於人體器官或生理學過程的成像。在實際使用過程中需要用到強磁場和電磁輻射去實現人體組織成像。MRI沒有用到X射線，需要和人們常常說的CT相區分。
圖3. 先天性心臟病患者的心臟MRI
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運用核磁共振能檢查些什麼呢？有些什麼注意事項呢？
請聽小糖一一道來。 首先，什麼是核磁共振？
它有個很簡單的英文名，叫MRI，主要利用的是磁共振現象。簡單來說就是一個大的機器，能夠產生巨大的磁場，使得在這個機器裡面的原子核發生能量的變化而被我們機器接收到，從而經過電腦處理得到圖像。都說我們人是“水”做的，水裡面又含有氫原子，核磁共振中的“核”主要就是在說氫原子，處理後就能得到像切面包片一樣的斷層圖像。
因為是利用的磁場，所以它與CT最大的不同就是沒有輻射哦。 那麼，這樣的核磁共振能檢查些什麼呢？
不過它還有個缺點，就是比較貴，如果有其他可以替代的檢查的話，那就能省錢就先省錢。 最後，小糖必須說幾點做核磁共振檢查的注意事項。前面提到了，核磁共振的儀器能產生一個巨大的磁場，所以凡是跟鐵等製品有關的東西都是容易被吸引上去的。這樣的話，做檢查時，身上裝有起搏器的、有鋼釘的、有假關節的、有假牙的、戴首飾手錶等等的，都是不可以的。
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顧名思義，從名字可以看出，核磁共振是原子核的共振成像，共振是當外加激勵作用於系統時，開始作強迫振動，如果外加的頻率等於系統固有頻率時，強迫振動的振幅達到振動的最大值，這種現象叫共振。共振全球最具影響力的事件是拿破崙的軍隊邁著整齊的步伐通過一座橋時，步兵使橋振動的頻率恰好等於或者是幾倍的橋固有振動頻率，把橋給振段了。
原子核具有一個重要的性質——自旋（為寫這個文章特意翻了大學時的量子力學），由量子力學可知，質子數和中子數都是偶數的核稱為偶偶核，自旋為零；質子數和中子數都是奇數的核稱為奇奇核，其自旋為h/2π的整數倍，h為普朗克常數。質量數為奇數的核稱為奇A核，自旋是h/2π的半整數倍，遵從費密-狄拉克統計律，這樣的粒子稱為費米子。質量數為偶數的核稱為偶A核，遵從玻色-愛因斯坦統計律，這樣的粒子稱為波色子。
自旋就會產生自旋磁矩，但是我們見到的物質並不會表現出磁性，這是因為各個原子核的磁矩方向不一致，東倒西歪，雜亂無章，因此整體上不會表現出磁性，但是外加一個強磁場結果就不一樣的。在外加強磁場的作用下就會排列整整齊齊的，自旋方向就會變得一致。
一個形象的例子就是大媽跳廣場舞，音樂開始前熱身階段，各跳各的，整體表現的沒有任何規律，如果音樂響起來以後，大媽們動作就變得整齊了。
由於原子核自旋的速度不同，所以表現的自旋頻率就不同，如果射頻發射器發射出脈衝信號輻射的能量恰好等於自旋核兩種不同取向的能量差時，原子核的自旋幅度就會改變、振幅加大，當射頻信號頻率改變，原子核又會恢復到原來的幅度，在躍遷恢復的過程中就會有射線放出，被接收器接收。改變射頻發射器發射脈衝的頻率，不同部位的原子“興奮”，就可以得到人體的某一部位圖像了。
人體就是個“水貨”，成年人體含水量在65%左右，因此核磁共振的目標原子選擇為氫原子 。在實際做核磁共振時還需注意，要聽從醫生的建議，不可以把鐵質性物品帶入檢測室。否則後果是這樣的。
