核磁共振和電子順磁共振以及塞曼效應之間有什麼聯絡和區別?

時間 2021-06-02 10:04:52

1樓:Sherrinford20023

不帶公式版:

塞曼效應(Zeeman effect)描述的就是帶有磁矩的粒子在強磁場中能級發生裂變。用乙個常見的比喻,就像指南針的指標有南極北極。然而如果指南針被放在乙個沒有磁場的星球上,那麼它的指標並不會指向哪個特定的方向,所以指標的兩端並沒有區別,也就是不分「南北」。

指南針就好比是乙個帶磁矩的粒子,南北就是兩個能級,只有在磁場下才能被區別開來。

如果把乙個帶磁矩的原子或者電子放入強磁場內,那麼這些粒子的能級也會發生裂變,而且裂變能級的能量差取決於粒子磁場強度。既然有了裂變能級,那麼處於低能級的粒子就可以被乙個特定能量的電磁波激發到更高的能級(這和所有吸收光譜是乙個道理)。在磁共振光譜裡,(核磁共振和電磁共振)我們通過平掃一段特定的磁場強度來製造不同的裂變能量差,再用乙個頻率恆定的射頻來激發低能級的粒子。

當某個特定的能量差剛好等於射頻能量時就發生了共振現象,在光譜上留下特定的峰。

核磁和電磁的根本區別就是核子自選方向和電子自旋方向相反,磁矩大小也不同,以至於核磁共振和電子共振所採用的磁場強度和射頻波段也不同。但是這兩者的前提都是粒子的塞曼效應。關於電子共振原理,我在另乙個問題裡有畫圖版本的解釋。

核磁的話我不熟悉。

帶公式版:

其實這個問題還是看哈密頓符比較清晰?在擬合電子共振光譜的時候,我們通常會寫出每個例子互相作用的哈密頓算符,電子塞曼效應(Electron Zeeman interaction, EZI)和核子塞曼效應(Nuclear Zeeman interaction, NZI)寫出來就是下面的兩個公式:

。上面的不帶公式版最後提到的,(我認為的)核磁和電磁的根本區別就是核子和電子的磁矩方向和大小不一樣。這兩點在這兩個公式裡就很明顯。

首先,核子塞曼效應的帶了乙個負號而電子塞曼效應卻沒有帶,這就是前面說的磁矩方向相反。核子和電子的磁矩相反跟它們的電荷有關。(這裡可以進行展開的物理知識太多了,包括自旋,磁旋比,以及之前答主提到的g-factor等等。

徐元植的《電磁磁共振原理》第二章和Weil&Bolton小紅書第一章有具體的推導)。然後就是這兩個公式裡分別有兩個常數,和 ,它們分別是是波爾磁子(Bohr magneton)和核磁子(Nuclear magneton)。這兩個物理量的計算公式如下:

,關於磁矩耦合……好像一時半會兒寫不完的樣子。

Reference:

徐元植,《電子磁共振原理》,2023年11月第一版

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