核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）是一种强大的分析技术，因其非破坏性、高分辨率和多功能性，在化学研究和分析中发挥着不可替代的作用。通过NMR，我们可以获得分子的详细信息，从而更好地理解分子的性质和行为。那么，核磁共振的基本原理是什么呢？

我们知道，在自然界中分子具有不同层次的运动，如分子的平动、旋转、分子内分子键的振动等。针对这些不同层次的运动，我们有不同的分析方法来获取分子中的有用信息。比如，我们可以用红外光谱(IR)来检测分子键的振动，从而识别分子中所含有的某种官能团。不同于红外光谱，核磁共振检测的是分子中原子的原子核的运动。所以要想弄明白核磁共振的基本原理，我们就得简单的了解一下原子核及其性质。

原子核是原子的核心部分，是由质子和中子两种基本粒子构成。质子带有正电荷，中子则不带电。不同元素的原子核中所含的质子和中子数都不相同，这决定了元素的种类和性质。原子核自旋是原子核的一个重要物理属性，它反映了原子核的内禀角动量。当原子核自旋时，由于某些原子核本身带有电荷（主要由质子的正电荷贡献），根据电磁学的基本原理，电荷的运动会产生磁场。因此，原子核的自旋运动会产生一个围绕原子核的小磁场，类似于微小的罗盘指针。核磁共振（NMR）技术就是基于原子核自旋磁场的性质而发展起来的。

基于原子核自旋磁场的性质，当我们把能够产生小磁场的原子核放置于磁场中时，原子核会有各种取向，取向的个数取决于原子核的性质，而核自旋量子数(I)是描述原子核性质的一个重要参数。

不同的自旋量子数对应的取向个数是不一样的，原子核置于磁场中将有2I＋1个取向，不同的取向对应着不同的能级。我们I=1/2为例，如图 1 所示，该类原子核将有2个取向，也就是有两种能级，将原子核从较稳定的能级激化到较不稳定的能级需要能量。当外部给予的能量恰为∆E时，原子核则可吸收该能量，从低能级运动方式跃迁到高能级运动方式，即发生“核磁共振”。

当然，并非所有的原子核都可以发生核磁共振。当I=0（如¹²C）时，原子核无法自旋产生磁场，该原子核也就不与磁场相互作用，因而不能发生核磁共振。那么该如何判断原子核是否会自旋？由表1可知，一个原子核只要质子数和中子数不同时为偶数，自旋量子数I不等于0，就可以发生自旋。

图 2 给出了∆E的计算公式，由于某个原子的原子核的磁旋比γ以及普朗克常数h皆为定值，外加磁场强度H₀成为了影响∆E的唯一变量。我们以H原子为例，如果给定了一个确定值的磁场，若想让H原子的原子核发生核磁共振，分子中每个H原子的原子核所需要的电磁波辐射频率都是相同的吗？答案当然是否定的，若是如此，核磁共振谱图的作用也只能检测出一个分子是由哪些元素组成（在确定的磁场中不同原子的原子核的磁旋比γ值不同，所需要的电磁波辐射频率也就不同，反应在谱图中也就是位移不同），而分析分子元素组成的仪器-元素分析仪在1904年就已经出现，晚几十年发现的核磁共振也就不会发展至今了。

图 3

事实上，当我们把原子放到磁场中时，原子核外的电子云会形成一个环流，生成感应磁场，如图 2所示，处于中心的原子核实际受到了两个磁场的影响，因此原子核的有效磁场为H_有效=H₀-H_感应。不同的原子核产生的感应磁场的大小是不一样的(原子核外围电子云的密度与电子的分布情况不同)，这导致了即使在同样的磁场中，某个原子的原子核受到的H_有效有微小差别，因此不同的原子核发生共振所需要的电磁波辐射频率是有微小差别的，差值约为百万分之几(ppm)，核磁共振光谱仪可以把不同原子核之间的百万分之几的具体差值告诉你，你可以通过这个了解两个原子是不一样的，从而推出它在结构上有何特点。

在了解了NMR的基本原理之后，我们来学习一下核磁共振光谱仪的工作原理。我们需要用合适的溶剂充分溶解未知化合物后将其装入一个窄管中，并放入一个非常强的磁场中。为了使样品中充分溶解，用快速气流使窄管高速旋转。在磁场中，任何带有核自旋的原子核都会拥有几种不同的能级，确切个数取决于核自旋的数值。用无线电频率能量的短脉冲照射样品。这会扰乱两个能级间的平衡：一些吸收了能量的原子核会被激发到较高能级。脉冲结束后，原子落回低能级时释放的辐射会被一种复杂的无线电接收器检测。经过大量的计算机运算，结果会以强度 (intensity, 即吸收的数量) 与频率(frequency) 的形式被显示出来。

我们可以在核磁光谱仪的帮助下，利用核磁共振确定分子中某种原子(可自旋)的类型和相对数量。在众多原子中，氢原子的核磁共振现象是应用较为广泛的。下一期我们将聊一聊最为常用和基础的一种核磁共振技术-氢核磁共振（Hydrogen Nuclear Magnetic Resonance）。