核磁共振如何探測(cè)分子結(jié)構(gòu)？《張朝陽(yáng)的物理課》解讀核磁共振原理

粒子自旋為何繞恒定磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，又為何在圓磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下頻頻點(diǎn)頭？如何直觀地理解核磁共振的產(chǎn)生機(jī)制？又如何實(shí)現(xiàn)和利用核磁共振？為什么說核磁共振是當(dāng)代有機(jī)化學(xué)家和醫(yī)師的“超級(jí)慧眼”？

6月19日12時(shí)，《張朝陽(yáng)的物理課》第152期暨線下十七課開播，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼首席執(zhí)行官、物理學(xué)博士張朝陽(yáng)坐鎮(zhèn)搜狐視頻直播間，承接上一期課程，為大家講解粒子自旋在不同磁場(chǎng)中如何演化。通過詳細(xì)計(jì)算，張朝陽(yáng)了解到，在一個(gè)方向周期性變化的圓磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，粒子自旋將取向?qū)⒊霈F(xiàn)共振現(xiàn)象，以這一現(xiàn)象為基礎(chǔ)可以發(fā)展出當(dāng)代核磁共振技術(shù)，通過分析核磁共振頻譜譜峰的偏移、強(qiáng)度和劈裂，可以對(duì)有機(jī)物的成鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接探測(cè)。最后，張朝陽(yáng)與現(xiàn)場(chǎng)的聽眾進(jìn)行了互動(dòng)，詳細(xì)回答了聽眾提出的物理問題。

課程一開始，張朝陽(yáng)簡(jiǎn)要回顧了著名的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)，以及由此衍生出的對(duì)粒子自旋與磁場(chǎng)相互作用的研究。他指出，研究自旋需要利用以線性代數(shù)為核心的量子力學(xué)的矩陣形式。借助線性代數(shù)運(yùn)算，張朝陽(yáng)計(jì)算了任意方向的自旋算符的本征態(tài)，發(fā)現(xiàn)它可以由兩個(gè)角度參數(shù)表征。于是，張朝陽(yáng)介紹了一套以單位方向矢量表征直觀自旋態(tài)的圖像，使得后面對(duì)自旋的演化的討論變得如此直觀。

輔以圖像化的表達(dá)方式，張朝陽(yáng)首先討論了自旋在單個(gè)恒定磁場(chǎng)下的拉莫進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，以及再加入恒定擾動(dòng)磁場(chǎng)下的拉比振蕩現(xiàn)象。緊接著，他分析了一個(gè)方向在xy平面上勻速旋轉(zhuǎn)的擾動(dòng)磁場(chǎng)對(duì)自旋的作用。通過巧妙地“坐標(biāo)系變化”，張朝陽(yáng)獲得了含時(shí)薛定諤方程的解，發(fā)現(xiàn)此時(shí)擾動(dòng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角速度和恒定磁場(chǎng)的拉莫頻率之間會(huì)發(fā)生共振。共振（ω=ω0）時(shí)，在“旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”下與自旋對(duì)應(yīng)的單位矢量“感受不到”由B~0~引起的拉莫進(jìn)動(dòng)，認(rèn)為B0消失了。在它的視角，它僅繞橫向（Transverse）磁場(chǎng)B1進(jìn)動(dòng)，此時(shí)上下態(tài)概率振幅相等。

而在不嚴(yán)格共振（ω接近ω0但不相等）時(shí)，自旋“感受到”的磁場(chǎng)是橫向磁場(chǎng)B1，一個(gè)強(qiáng)度很弱，方向沿z軸正方向的等效磁場(chǎng)之和，自旋對(duì)應(yīng)的單位矢量將繞著這個(gè)和磁場(chǎng)所代表的矢量做進(jìn)動(dòng)，即，可以理解為是B1在微微抬頭。

此后，張朝陽(yáng)進(jìn)一步討論了如何在實(shí)踐中利用這個(gè)理論計(jì)算得到的共振現(xiàn)象。事實(shí)上，它即是現(xiàn)代核磁共振計(jì)算的理論基礎(chǔ)。張朝陽(yáng)解讀道，在利用核磁共振探測(cè)時(shí)，需要首先將樣品放置在一個(gè)1.5T甚至3T的磁場(chǎng)中，使得樣品中氫核的自旋達(dá)到熱平衡。此后，再對(duì)樣品世家一個(gè)頻率在無線電頻率范圍內(nèi)的圓磁場(chǎng)脈沖，使得氫核的自旋將被極大地翻轉(zhuǎn)。

在撤去磁場(chǎng)后，由于氫核自旋在xy平面上的不同取向之間不具有能量差，于是它們很快地弛豫到平衡態(tài)，這個(gè)過程被稱為退相位化（Dephasing）過程，它的時(shí)間是系統(tǒng)的參數(shù)，稱為弛豫時(shí)間（Relaxation time）T2。在弛豫時(shí)間內(nèi)，由于電子云的屏蔽效應(yīng)將削弱氫核所感知到的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不同位置的氫質(zhì)子有著微微不同的拉莫頻率ω~0~，進(jìn)而如果對(duì)橫向線圈里的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)曲線作傅里葉分析，可以預(yù)期能看到多個(gè)分布在不同頻率處、強(qiáng)度不等的譜峰。進(jìn)一步如果鄰近處存在多個(gè)氫核，對(duì)應(yīng)頻率的譜峰會(huì)發(fā)生劈裂?？偠灾?，核磁共振頻譜的譜峰偏移、強(qiáng)度和劈裂，正對(duì)應(yīng)著有機(jī)物的結(jié)構(gòu)分布，可以作為精細(xì)探針幫助我們“看到”有機(jī)物的具體化學(xué)結(jié)構(gòu)。

講解完課程的主要內(nèi)容之后，張朝陽(yáng)從解傳播方程的角度，分析了主被動(dòng)降噪的物理原理，以及通風(fēng)對(duì)散熱的影響。此外，張朝陽(yáng)還現(xiàn)場(chǎng)解答了剛剛過去的2023年高考全國(guó)新課標(biāo)甲卷的壓軸題。張朝陽(yáng)詳盡分析了題目所述物理過程，并給出了詳細(xì)的計(jì)算過程。他提醒大家，對(duì)物理圖像的把握是解題的重點(diǎn)，只有理解了整個(gè)物理過程，才能做出正確的計(jì)算。

最后，張朝陽(yáng)與現(xiàn)場(chǎng)的聽眾進(jìn)行了互動(dòng)，詳細(xì)解答了聽眾關(guān)于學(xué)習(xí)方法、職業(yè)道路選擇、人工智能、未來科技走向的預(yù)測(cè)分析等眾多問題，并根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和理解給出了相應(yīng)的解答。

截至目前，《張朝陽(yáng)的物理課》已直播一百五十余期，內(nèi)容大都從自然界的現(xiàn)象出發(fā)，引出基本物理概念，推導(dǎo)基本理論，研算現(xiàn)象后面的根本原因，達(dá)到本質(zhì)的理解。課程中使用較多數(shù)學(xué)推導(dǎo)展示物理與數(shù)學(xué)的不可分割，也能幫助讀者提升數(shù)學(xué)水平。

據(jù)了解，《張朝陽(yáng)的物理課》于每周周五、周日中午12時(shí)在搜狐視頻直播，網(wǎng)友可以在搜狐視頻“關(guān)注流”中搜索“張朝陽(yáng)”，觀看直播及往期完整視頻回放；關(guān)注“張朝陽(yáng)的物理課”賬號(hào)，查看課程中的“知識(shí)點(diǎn)”短視頻；此外，還可以在搜狐新聞APP的“搜狐科技”賬號(hào)上，閱覽每期物理課程的詳細(xì)文章。

除了《張朝陽(yáng)的物理課》外，在直播方面，搜狐視頻正持續(xù)打造知識(shí)直播平臺(tái)，邀請(qǐng)各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的頭部播主入駐，進(jìn)行科普知識(shí)直播。中山大學(xué)物理與天文學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師王爽動(dòng)人講解《神16背后的中國(guó)千年飛天夢(mèng)》；中國(guó)科技大學(xué)天體物理博士、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員孫正凡生動(dòng)分享《“載荷專家”來了，科學(xué)家太空實(shí)驗(yàn)亮點(diǎn)前瞻》；中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、《流浪地球2》科學(xué)顧問茍利軍帶來了關(guān)于“黑洞的進(jìn)展研究”的深度解析；赫爾辛基大學(xué)博士后，NASA杰克埃迪學(xué)者、中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員張沛錦教你“用大規(guī)模天線陣聆聽聒噪的太陽(yáng)大氣”……未來將有更多知識(shí)播主入駐搜狐視頻，一起分享科學(xué)樂趣，一窺不同領(lǐng)域的奧秘。