2025年高考核磁共振儀的發(fā)明

　　核磁共振儀的發(fā)明

　　核磁共振儀廣泛用于有機(jī)物質(zhì)的研究，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，高分子化學(xué)以及醫(yī)學(xué)，藥學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域。20年來，由于這一技術(shù)的飛速發(fā)展，它已經(jīng)成為化學(xué)領(lǐng)域最重要的分析技術(shù)之一。

　　早在1924年，奧地利物理學(xué)家泡里就提出了某些核可能有自旋和磁矩。"自旋"一詞起源于帶電粒子，如質(zhì)子、電子繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的經(jīng)典圖像。這種運(yùn)動(dòng)必然產(chǎn)生角動(dòng)量和磁偶極矩，因?yàn)樾�轉(zhuǎn)的電荷相當(dāng)于一個(gè)電流線圈，由經(jīng)典電磁理論可知它們要產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)然這樣的解釋只是比較形象的比擬，實(shí)際情況要比這復(fù)雜得多。

　　原子核自旋的情況可用自旋量子數(shù)I表示。自旋量子獲得，質(zhì)量數(shù)的原子序數(shù)之間有以下關(guān)系：

　　質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)自旋量子數(shù)（I）

　　奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/2,3/2,5/2……

　　偶數(shù)偶數(shù)0

　　偶數(shù)奇數(shù)1，2，3……

　　1>0的原子核在自旋時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；I為1/2的核，其電荷分布是球狀；而I≥1的核，其電荷分布不是球狀，因此有磁極矩。

　　I為0的原子核置于強(qiáng)大的磁場(chǎng)中，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，就會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂，如果用一個(gè)與其能級(jí)相適應(yīng)的頻率的電磁輻射時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，核磁共振的名稱就是來源于此。

　　斯特恩和蓋拉赫1924年在原子束實(shí)驗(yàn)中觀察到了鋰原子和銀原子的磁偏轉(zhuǎn)，并測(cè)量了未成對(duì)電子引起的原子磁矩。

　　1933年斯特恩等人測(cè)量了質(zhì)子的磁矩。1939年比拉第一次進(jìn)行了核磁共振的實(shí)驗(yàn)。1946年美國的普西爾和布少赫同時(shí)提出質(zhì)子核磁共振的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，他們首先用核磁共振的方法研究了固體物質(zhì)、原子核的性質(zhì)、原子核之間及核周圍環(huán)境能量交換等問題。為此他們兩位獲得了1952年諾貝爾物理獎(jiǎng)。50年代核磁共振方法開始應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，1950年斯坦福大學(xué)的兩位物理學(xué)家普羅克特和虞以NH4NO3水溶液作為氮原子核源，在測(cè)定14N的磁矩時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)性質(zhì)截然不同的共振信號(hào)，從而發(fā)現(xiàn)了同一種原子核可隨其化學(xué)環(huán)境的不同吸收能量的共振條件也不同，即核磁共振頻率不同。這種現(xiàn)象稱為"化學(xué)位移"。這是由于原子核外電子形成的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。化學(xué)位移是鑒別官能團(tuán)的重要依據(jù)。因?yàn)榛瘜W(xué)位移的大小與鍵的性質(zhì)和鍵合的元素種類等有密切的關(guān)系。此外，各組原子核之間的磁相互作用構(gòu)成自旋──自旋耦合。這種作用常常使得化學(xué)位移不同的各組原子核在共振吸收?qǐng)D上顯示的不是單峰而是多重峰，這種情況是由分子中鄰近原子核的數(shù)目，距離用對(duì)稱性等因素決定，因此它有助于提示整個(gè)分子的。

　　由于上述成果高分辨核磁共振儀得以問世。開始測(cè)量的核主要是氫核，這是由于它的核磁共振信號(hào)較強(qiáng)。隨著儀器性能的提高，13C，31P，15N等的核也能測(cè)量，儀器使用的磁場(chǎng)也越來越強(qiáng)。50年代制造出IT（特拉斯）磁場(chǎng)，60年代制造出2T的磁場(chǎng)，并利用起導(dǎo)現(xiàn)象制造出5T的起導(dǎo)磁體。70年代造出8T磁場(chǎng)。現(xiàn)在核磁共振儀已經(jīng)被應(yīng)用到從小分子到蛋白質(zhì)和核酸的各種各樣化學(xué)系統(tǒng)中。

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