即时：核磁共振如何探测分子结构？《张朝阳的物理课》解读核磁共振原理
信网6月21日讯粒子自旋为何绕恒定磁场旋转，又为何在圆磁场驱动下频频点头?如何直观地理解核磁共振的产生机制?又如何实现和利用核磁共振?为什么说核磁共振是当代有机化学家和医师的“超级慧眼”?
6月19日12时，《张朝阳的物理课》第152期暨线下十七课开播，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳坐镇搜狐视频直播间，承接上一期课程，为大家讲解粒子自旋在不同磁场中如何演化。通过详细计算，张朝阳了解到，在一个方向周期性变化的圆磁场驱动下，粒子自旋将取向将出现共振现象，以这一现象为基础可以发展出当代核磁共振技术，通过分析核磁共振频谱谱峰的偏移、强度和劈裂，可以对有机物的成键结构进行直接探测。最后，张朝阳与现场的听众进行了互动，详细回答了听众提出的物理问题。
(资料图片仅供参考)
课程一开始，张朝阳简要回顾了著名的斯特恩-盖拉赫实验，以及由此衍生出的对粒子自旋与磁场相互作用的研究。他指出，研究自旋需要利用以线性代数为核心的量子力学的矩阵形式。借助线性代数运算，张朝阳计算了任意方向的自旋算符的本征态，发现它可以由两个角度参数表征。于是，张朝阳介绍了一套以单位方向矢量表征直观自旋态的图像，使得后面对自旋的演化的讨论变得如此直观。
辅以图像化的表达方式，张朝阳首先讨论了自旋在单个恒定磁场下的拉莫进动现象，以及再加入恒定扰动磁场下的拉比振荡现象。紧接着，他分析了一个方向在xy平面上匀速旋转的扰动磁场对自旋的作用。通过巧妙地”坐标系变化“，张朝阳获得了含时薛定谔方程的解，发现此时扰动磁场旋转的角速度和恒定磁场的拉莫频率之间会发生共振。共振（ω=ω0）时，在“旋转坐标系”下与自旋对应的单位矢量“感受不到”由B~0~引起的拉莫进动，认为B0消失了。在它的视角，它仅绕横向（Transverse）磁场B1进动，此时上下态概率振幅相等。
而在不严格共振（ω接近ω0但不相等）时，自旋“感受到”的磁场是横向磁场B1，一个强度很弱，方向沿z轴正方向的等效磁场之和，自旋对应的单位矢量将绕着这个和磁场所代表的矢量做进动，即，可以理解为是B1在微微抬头。
此后，张朝阳进一步讨论了如何在实践中利用这个理论计算得到的共振现象。事实上，它即是现代核磁共振计算的理论基础。张朝阳解读道，在利用核磁共振探测时，需要首先将样品放置在一个1.5T甚至3T的磁场中，使得样品中氢核的自旋达到热平衡。此后，再对样品世家一个频率在无线电频率范围内的圆磁场脉冲，使得氢核地自旋将被极大地翻转。
在撤去磁场后，由于氢核自旋在xy平面上的不同取向之间不具有能量差，于是它们很快地弛豫到平衡态，这个过程被称为退相位化（Dephasing）过程，它的时间是系统的参数，称为弛豫时间（Relaxation time）T2。在弛豫时间内，由于电子云的屏蔽效应将削弱氢核所感知到的磁场强度，不同位置的氢质子有着微微不同的拉莫频率ω~0~，进而如果对横向线圈里的动生电动势曲线作傅里叶分析，可以预期能看到多个分布在不同频率处、强度不等的谱峰。进一步如果邻近处存在多个氢核，对应频率的谱峰会发生劈裂。总而言之，核磁共振频谱的谱峰偏移、强度和劈裂，正对应着有机物的结构分布，可以作为精细探针帮助我们“看到”有机物的具体化学结构。
讲解完课程的主要内容之后，张朝阳从解传播方程的角度，分析了主被动降噪的物理原理，以及通风对散热的影响。此外，张朝阳还现场解答了刚刚过去的2023年高考全国新课标甲卷的压轴题。张朝阳详尽分析了题目所述物理过程，并给出了详细的计算过程。他提醒大家，对物理图像的把握是解题的重点，只有理解了整个物理过程，才能做出正确的计算。
最后，张朝阳与现场的听众进行了互动，详细解答了听众关于学习方法、职业道路选择、人工智能、未来科技走向的预测分析等众多问题，并根据自己的经验和理解 给出了相应的解答。
截至目前，《张朝阳的物理课》已直播一百五十余期，内容大都从自然界的现象出发，引出基本物理概念，推导基本理论，研算现象后面的根本原因，达到本质的理解。课程中使用较多数学推导展示物理与数学的不可分割，也能帮助读者提升数学水平。
据了解，《张朝阳的物理课》于每周五、周日中午12时在搜狐视频直播，网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”，观看直播及往期完整视频回放；关注“张朝阳的物理课”账号，查看课程中的“知识点”短视频；此外，还可以在搜狐新闻APP的“搜狐科技”账号上，阅览每期物理课程的详细文章。
除了《张朝阳的物理课》外，在直播方面，搜狐视频正持续打造知识直播平台，邀请各个科学领域的头部播主入驻，进行科普知识直播。中山大学物理与天文学院副教授、博士生导师王爽动人讲解《神16背后的中国千年飞天梦》；中国科技大学天体物理博士、中国科普作家协会会员孙正凡生动分享《“载荷专家”来了，科学家太空实验亮点前瞻》；中国科学院国家天文台研究员、《流浪地球2》科学顾问苟利军带来了关于“黑洞的进展研究”的深度解析；赫尔辛基大学博士后，NASA杰克埃迪学者、中国空间科学学会会员张沛锦教你“用大规模天线阵聆听聒噪的太阳大气”……未来将有更多知识播主入驻搜狐视频，一起分享科学乐趣，一窥不同领域的奥秘。（信网记者）
