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物质由原子构成,质子是原子核内的主要微粒,核磁信号就是来源于质子。以氢质子为例,由于其带有正电荷,且自身高速旋转,可以看作一个环形电流,由电磁理论可知,电生磁,质子产生一个磁矩,可以将其看作一个小磁针。样品内部无数的小磁针按自身的方向杂乱排列,相互抵消,总磁矩为零。

当样品置于一个静磁场中时,原有的平衡被打破了。根据量子力学原理,核磁矩在外磁场中的空间取向是量子化的,只能取确定的方向,氢核可取两个方向,这两个方向的位能不同,一高一低。氢核从原有的平衡状态到裂分为两个取向,成为塞曼能级分裂。形象的说,好比小磁针放到静磁场后,分为了两个阵营:顺从派和抵抗派。顺从派能量较小,能级较低,和静磁场方向相同,抵抗派能量较大,能级较高,和静磁场方向相反,且两派的力量不均等,顺从派稍多于抵抗派,每10万个核,两派数量差一个。就是这多出的一个磁矩,积少成多,形成了一个与主磁场同方向的磁化矢量,是核磁共振信号的来源。

磁化矢量沿主磁场方向旋转,如果施加一个适宜的射频场,该磁化矢量就会发生倾斜,从而形成核磁共振信号。适宜的射频场是指频率与磁化矢量拉莫尔进动频率一致。如前面讲的比喻,磁化矢量好比一个垂直于地面的沙袋,射频场发射的脉冲好比拳头,只有拳头力量匹配沙袋的重量,沙袋才会倾斜,从而在地面形成一个投影。这个投影就是仪器检测到的核磁信号。沙袋倾斜后会逐渐回复到平衡状态,投影会越来越小,直至消失,检测到的核磁信号也是一个衰减的信号。