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https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Physical_Chemistry_for_the_Biosciences_(Chang)/14%3A_Spectroscopy/14.5%3A_Nuclear_Magnetic_Resonance
什么是时变电磁场(交变电磁场)，交变微波场
EPR
核磁共振，从应用上看分为
(1) 核磁共振成像(Magnetic resonance imaging，简称MRI)也就是医院用的；
(2) 核磁共振光谱(Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，简称NMR spectroscopy或NMR)。NMR是一种强大的分析技术，可以揭示许多有机和无机分子的结构信息，广泛应用于研究高分子或者蛋白质的结构。在核磁共振中，特定同位素的磁核被一个强大的外部磁铁对齐，然后被无线电波扰动。 这种施加到分子上的外部能量被吸收，被扰动的原子核被称为“共振”。
(3) 核磁共振探测(Magnetic Resonance Sounding，简称MRS)技术，MRS是MRI技术在地质勘探领域的延伸，实现对地层中水分布信息的探测。
微观粒子的自旋：宏观世界无法理解，我们能理解的旋转只有自转和公转，电子绕核旋转(经典角度看)就会产生轨道角动量，这一部分可以测出来的，但是人们发现电子的总角动量是大于其轨道角动量的，那么多余的角动量是哪里来的呢？按照我们能理解的方式，只可能是电子的“自转”，不过如果真要是这样的话，电子假想表面的运动速度必须远大于光速，违反相对论。于是人们提出自旋的概念，不管你转不转了，我只考虑最终的结果，电子存在一个内在的角动量，具体是如何提供的我们不知道也不关心，所以叫内禀属性。所有有自旋的微观粒子，都具有这种角动量，为了便于我们理解，我们就说它相当于这个粒子在旋转。
电子的绕核运动——磁矩：电流会产生磁场，而所谓的电流就是一堆电子的定向移动，那么一个电子的移动会不会产生磁场呢？当然会了，本质都一样，所以我们说电子的绕核运动就会产生一个小磁场，这个小磁场就像一个小磁针一样，这个小磁场(小磁针)就会受到大磁场的影响，或者说小磁针在大磁场下就会产生一个磁矩。所谓磁矩，简单理解就是在大磁场下的力矩，有了磁矩，小磁针就可以按照磁场线的方向排列了。
电子自旋——磁矩：实验告诉我们电子自旋也会像绕核运动一样产生磁场，微观粒子内在的旋转属性仍旧可以看作是一种旋转啊，所以一个电子即使不绕核旋转，它依然是一个小磁场。同理原子核也具有磁场，它也带电，所以原子核也相当于一个小磁场(在大磁场下会有一个磁矩)。
微观粒子，带电，同时还得具有角动量(轨道/自旋角动量都可以)，那么这个粒子就会产生一个小磁场，电荷和角动量二者缺一不可，是不是这样呢？特别注意，在经典中这样理解没毛病，但是实际在微观领域是不按套路出牌的，正确的说法是：只要这个粒子具有自旋，那么它就是一个小磁场，也就是在外磁场作用下就会产生磁矩，和它自身是否有电荷已经没有关系了。中子是不带电的，中子的自旋为1/2，所以自由中子在外磁场下也会具有自选磁矩；α粒子，也就是He原子核带正电，但是它整体自旋为0，所以自选磁矩为0(不说没有，说为0)。像α粒子这样自旋为零的粒子只是少数，大部分的微观粒子都是具有自选磁矩的，都会受到外磁场的影响。注意这里的小磁针不受地表磁场的影响，因为地表的磁场太弱了。
自旋为1/2粒子在磁场：我们给一堆微观粒子加上一个恒定的强磁场，那么会发生什么呢？原来无序的小磁针就会立刻沿着磁场线的方向排好队。神奇的事情来了，想要我们全部听从指挥是不可能的，我们只能在统计意义上服从安排，即大部分是顺着磁场线的方向，但是有少部分是逆着磁场线方向，这对小磁针整体上看是顺着磁场线方向的，这个整体的磁矩我们叫作净磁矩。逆着磁场排列的小磁针是高能态，顺着磁场排列的小磁针是低能态，那能级差就出现了，于是就可以跃迁，高能态跃迁到低能态，多余的能量以电磁波(光子)的形式辐射出去，反过来低能态吸收特定波长的光子也能跃迁到高能态。注意这种能级差只有在外部磁场下才会出现，只有在外部磁场下才会出现能级分裂，叫作“塞曼分裂”，这反映在光谱上就是塞曼效应(一条谱线分裂成多条)。
自旋状态数：对于自旋为s的粒子，自旋量子数ms的取值从-s到s，间隔为1，能取几个值(2s+1个)就意味着在外磁场下会分裂成几个能级。
共振：以质子为例，已知质子的自旋为1/2，加上磁场之后，大部分沿着磁场线方向排列，少部分逆着磁场线，再加入一个细节进去，我们要把每一个质子都想象成一个旋转的陀螺，存在进动现象，旋转轴会绕着旋转中心整体地旋转，即这些质子中心排好队了，但是身体在不由自主地进动。这个进动的频率只和两个因素有关，一个是外磁场的强度，外磁场越强，进动地越快，第二个是与粒子本身有关(即什么粒子有关，有个参数叫作旋磁比\(\gamma\)，the ratio of its magnetic moment to its angular momentum)，总之不同的粒子/磁场，进动的角速度是不一样的，这个角频率就是Larmor频率(一秒钟进动多少圈)。对于单独用一个质子而言，它的磁场方向存在两个分量，一个是z轴(竖直)方向，这个分量是始终不变的，但是在水平面的分量一直在画圈，这是对一个质子而言的。那么对一堆质子而言，由于旋转的相位(进度)不相同，整体上水平面的磁场分量就被抵消了，剩余的还是顺着磁场方向的分量(假设总磁场方向向上)。
所谓共振就是频率相同，现在我们在水平方向上加一个交变的电磁场，让它的频率刚好等于这堆质子Larmor频率，那么原来处在低能态的质子就会受到激发开始变成高能态。不对啊，前面不是说了吗，想要激发低能态到高能态要用吸收能量等于能量差的光子吗，其实这两个频率是相等的(可以从公式推导)，一般在射电波段。医院用的MRI的磁场强度为2到3 T，这个磁场强度对于质子而言的对应的射频就是100 MHz左右。好，我们说一个交变的射频信号过来了，一部分低能质子变为高能级，另外质子的进动也变得有序了，即相位相同，想象成分散的质子合成一个整体一起进动，这就是共振，于是水平方向就会出现净磁场分量。在高强的90度射频脉冲下，所有的质子会躺在水平面上进动(进动频率不变)，竖直方向的分量没有了。假设所有质子的磁场已经被压制到水平方向，然后我突然关闭射频场，那么所有质子必然会恢复到初始状态。现在我们脑部所有质子净磁场方向的变化，叫作净磁化矢量，它在竖直方向是从无到有，在水平方向是从有到无的过程，类似圣诞树螺旋曲线。如果只探测y方向的信号，它就是一个衰减信号，这个信号就叫作FID自由感应衰减信号(时域信号)，通过傅里叶变换变成频域信号，就变成了类似吸收谱线的核磁谱，再通过一些化学位移的手段来判断有机分子的大致成分，至于核磁成像则需要更复杂的数学和计算机的知识。
能够核磁分子的粒子：能够利用核磁分析的原子核必须得有自旋，因为没有自旋那么在外磁场下就没有磁矩，即对外界磁场没有响应，一般质子、C-13、N-15这些用得比较多，它们的自旋都是1/2。
对于核磁成像主要用到的就是质子，人体中大部分都是H2O，这是比较好的地方；人体中另外比较多的就是C-12和O-16自旋都是零，因此不能用于核磁共振。
- 质子数和中子数都为偶数的情况下，原子核的自旋就是零，不能用于核磁共振；
- 自旋为1/2的粒子更适合做核磁共振，因为该自旋的粒子只能分裂成两个能级，能级差就一个，得到的谱线是一个尖尖的(一重峰)；
- 自旋为1的粒子比如N-14，会分裂成三个能级，三个能级之间的跃迁存在两种可能(选择定则)，对应两重峰。还有三重峰、四重峰，峰越多越不好分析，因此我们喜欢自旋为1/2的粒子。
核磁共振对人体健康的影响：如果单纯看电磁辐射是没有害的，因为频段在射电波段，也是就广播的频段，不足以造成电离辐射；但是核磁共振的磁场是比较强的，医院的核磁在3个特斯拉左右，核磁谱的话就会更高，因此做核磁的时候不能有任何金属的物质，甚至有纹身的都不建议做，因为有的纹身可能含有金属物质，这是很危险的。目前关于强磁场对人体是否有害，这件事在科学界没有确切的说法。