核磁共振如何探測分子結構？《張朝陽的物理課》解讀核磁共振原理

粒子自旋為何繞恒定磁場旋轉，又為何在圓磁場驅動下頻頻點頭？如何直觀地理解核磁共振的產生機制？又如何實現(xiàn)和利用核磁共振？為什么說核磁共振是當代有機化學家和醫(yī)師的“超級慧眼”？

6月19日12時，《張朝陽的物理課》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、物理學博士張朝陽坐鎮(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中如何演化。通過詳細計算，張朝陽了解到，在一個方向周期性變化的圓磁場驅動下，粒子自旋將取向將出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以這一現(xiàn)象為基礎可以發(fā)展出當代核磁共振技術，通過分析核磁共振頻譜譜峰的偏移、強度和劈裂，可以對有機物的成鍵結構進行直接探測。最后，張朝陽與現(xiàn)場的聽眾進行了互動，詳細回答了聽眾提出的物理問題。

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

輔以圖像化的表達方式，張朝陽首先討論了自旋在單個恒定磁場下的拉莫進動現(xiàn)象，以及再加入恒定擾動磁場下的拉比振蕩現(xiàn)象。緊接著，他分析了一個方向在xy平面上勻速旋轉的擾動磁場對自旋的作用。通過巧妙地“坐標系變化”，張朝陽獲得了含時薛定諤方程的解，發(fā)現(xiàn)此時擾動磁場旋轉的角速度和恒定磁場的拉莫頻率之間會發(fā)生共振。共振（ω=ω0）時，在“旋轉坐標系”下與自旋對應的單位矢量“感受不到”由B~0~引起的拉莫進動，認為B0消失了。在它的視角，它僅繞橫向（Transverse）磁場B1進動，此時上下態(tài)概率振幅相等。

而在不嚴格共振（ω接近ω0但不相等）時，自旋“感受到”的磁場是橫向磁場B1，一個強度很弱，方向沿z軸正方向的等效磁場之和，自旋對應的單位矢量將繞著這個和磁場所代表的矢量做進動，即，可以理解為是B1在微微抬頭。

此后，張朝陽進一步討論了如何在實踐中利用這個理論計算得到的共振現(xiàn)象。事實上，它即是現(xiàn)代核磁共振計算的理論基礎。張朝陽解讀道，在利用核磁共振探測時，需要首先將樣品放置在一個1.5T甚至3T的磁場中，使得樣品中氫核的自旋達到熱平衡。此后，再對樣品世家一個頻率在無線電頻率范圍內的圓磁場脈沖，使得氫核的自旋將被極大地翻轉。

在撤去磁場后，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)，這個過程被稱為退相位化（Dephasing）過程，它的時間是系統(tǒng)的參數(shù)，稱為弛豫時間（Relaxation time）T2。在弛豫時間內，由于電子云的屏蔽效應將削弱氫核所感知到的磁場強度，不同位置的氫質子有著微微不同的拉莫頻率ω~0~，進而如果對橫向線圈里的動生電動勢曲線作傅里葉分析，可以預期能看到多個分布在不同頻率處、強度不等的譜峰。進一步如果鄰近處存在多個氫核，對應頻率的譜峰會發(fā)生劈裂。總而言之，核磁共振頻譜的譜峰偏移、強度和劈裂，正對應著有機物的結構分布，可以作為精細探針幫助我們“看到”有機物的具體化學結構。

講解完課程的主要內容之后，張朝陽從解傳播方程的角度，分析了主被動降噪的物理原理，以及通風對散熱的影響。此外，張朝陽還現(xiàn)場解答了剛剛過去的2023年高考全國新課標甲卷的壓軸題。張朝陽詳盡分析了題目所述物理過程，并給出了詳細的計算過程。他提醒大家，對物理圖像的把握是解題的重點，只有理解了整個物理過程，才能做出正確的計算。

最后，張朝陽與現(xiàn)場的聽眾進行了互動，詳細解答了聽眾關于學習方法、職業(yè)道路選擇、人工智能、未來科技走向的預測分析等眾多問題，并根據(jù)自己的經驗和理解給出了相應的解答。

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

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

除了《張朝陽的物理課》外，在直播方面，搜狐視頻正持續(xù)打造知識直播平臺，邀請各個科學領域的頭部播主入駐，進行科普知識直播。中山大學物理與天文學院副教授、博士生導師王爽動人講解《神16背后的中國千年飛天夢》；中國科技大學天體物理博士、中國科普作家協(xié)會會員孫正凡生動分享《“載荷專家”來了，科學家太空實驗亮點前瞻》；中國科學院國家天文臺研究員、《流浪地球2》科學顧問茍利軍帶來了關于“黑洞的進展研究”的深度解析；赫爾辛基大學博士后，NASA杰克埃迪學者、中國空間科學學會會員張沛錦教你“用大規(guī)模天線陣聆聽聒噪的太陽大氣”……未來將有更多知識播主入駐搜狐視頻，一起分享科學樂趣，一窺不同領域的奧秘。