核磁共振的例子


原子的核心具有磁矩 $\vec{\mu}$ ,它与核心的固有角动量 (称为自旋 $\vec{J}$ ,其值用 $J$ 表示) 相关: $\vec{\mu}=g \vec{J}$ ,其中 $g$ 是一个常数。假设核心被放置在一个沿 $\mathrm{Oz}$ 方向的均匀磁场中。

哈密顿算子


  • $\widehat H = \frac{\widehat p}{2m}+\widehat V = 0-\vec{B} \cdot \overrightarrow{\widehat{\mu}} =-g B \widehat{J}_z$

哈密顿算子的本征态


设$\widehat{J}^2$的本征值为$\hbar^2 j(j+1)$,$\widehat J_z$的本征值为$m_j$。如此有:

  • $\widehat{H}\left|j, m_j\right\rangle=-g B \hbar m_j\left|j, m_j\right\rangle$

因此,哈密顿算子有$2j+1$个本征态,其本征能量为$E_{m_j}=-g B \hbar m_j$。

确定$\overrightarrow{\widehat{\mu}} \wedge \overrightarrow{\widehat{\mu}}$


$\overrightarrow{\widehat{\mu}} \wedge \overrightarrow{\widehat{\mu}} = g^2 \widehat J\wedge\widehat J$

  • $\begin{aligned}\overrightarrow{\widehat{J}} \wedge \overrightarrow{\widehat{J}} &= \overrightarrow{\widehat{J}}_x \overrightarrow{\widehat{J}}_y - \overrightarrow{\widehat{J}}_y \overrightarrow{\widehat{J}}_x + \overrightarrow{\widehat{J}}_z \overrightarrow{\widehat{J}}_x - \overrightarrow{\widehat{J}}_x \overrightarrow{\widehat{J}}_z + \overrightarrow{\widehat{J}}_y \overrightarrow{\widehat{J}}_z - \overrightarrow{\widehat{J}}_z \overrightarrow{\widehat{J}}_y\& = i\hbar\overrightarrow{\widehat{J}}_z+i\hbar\overrightarrow{\widehat{J}}_y+i\hbar\overrightarrow{\widehat{J}}_x = i\hbar\overrightarrow{\widehat{J}}\end{aligned}$

$\overrightarrow{\vec{\mu}} \wedge \overrightarrow{\hat{\mu}}=g \overrightarrow{\widehat{J}} \wedge g \overrightarrow{\widehat{J}}=i \hbar g^2 \overrightarrow{\widehat{J}}=i \hbar g \vec{\mu}$

计算磁矩的三个分量均值对时间的导数


根据埃伦费斯特原理:

由于角动量算子不含时,所以磁矩算子也不含时,三个维度均值的导数:

讨论Ω$\Omega$$\frac{\mathrm{d}\langle\overrightarrow{\hat{\mu}}\rangle}{\mathrm{d} t}=\vec{\Omega} \wedge\langle\overrightarrow{\widehat{\mu}}\rangle$

  • $E{m_j}-E{m_j+1}=-g B \hbar m_j+g B \hbar\left(m_j+1\right)=g B \hbar=|\hbar \vec{\Omega}|$

$Ω$ 的范数对应于两个连续能量子能级之间的差异

讨论

根据第4问的结果,我们有:

同样地:

因此,可以写出:

因此,向量 $\langle\vec{\mu}\rangle$ 围绕 $\vec{B}$ 方向进行进动,这种进动被称为拉莫尔进动,其角频率为 $\Omega=g B$ 。通过测量 $\Omega$可以实验性地确定核的特征常数 $g$ 。因此,可以给每种类型的核关联一个特定的共振频率,对于给定的 $\vec{B}$值。例如,对于氢 $H$ ,共振频率调至 $42.57 \mathrm{MHz}$ ,对于磷 $P$ 是 $17.24 \mathrm{MHz}$ ,对于碳 $C$ 是 $10.70 \mathrm{MHz}$ 。因此,这种技术被用于检测极低浓度的化学元素。在成像($MRI$)中,组织的对比度获得依赖于测量局部由非均匀 $\vec{B}$ 场激发的磁矩的松弛时间。