Nuclear magnetic resonance

This refers to magnetic resonance caused by atomic nuclei. American physicist Larvi was the first to observe nuclear magnetic resonance using molecular beams. In 1946, Brock and Purcell independently observed nuclear magnetic resonance in solids and liquids, and in parallel developed a statistical thermodynamic theory, making it an important field in condensed matter physics. For this achievement, Brock and Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics in 1952. The resonance frequency ranges from a few megahertz to a few hundred megahertz, depending on the strength of the magnetic field and the type of nucleus. The following describes nuclear magnetic resonance in solids and liquids.

When a magnetic field is applied to the atomic nuclei in a material that does not have electron magnetism, they branch into multiple levels according to their respective magnetic quantum numbers. In a material in thermal equilibrium, the number of nuclei occupying each of these levels is greater in the lower energy levels, as shown in A in the figure , according to Boltzmann statistics, and they have magnetization M. When magnetic resonance is performed in this system, transitions occur between adjacent levels, but the lower the level, the more occupied the level is, so the more transitions occur. As the radio frequency intensity increases, equilibrium is reached in a state where the difference in the number of occupied levels between the upper and lower levels decreases, as shown in B in the figure . In this state, steady absorption of electromagnetic waves occurs. Measuring this absorption is the Purcell method of detecting magnetic resonance. If an even stronger radio frequency is used to cause a more intense transition, the number of nuclei occupying the upper and lower levels will be the same, as shown in C in the figure (the magnetization will be zero). In this state, even if a transition occurs, there will be no change in the number of occupied nuclei, and there will be no absorption of radio waves (saturation). Now, if the radio frequency is turned off in states B or C, the system will exponentially return to D (same as A) on the thermal equilibrium diagram with a time constant T1 . This _T1 is called the spin-lattice relaxation time. Note that _a dispersion phenomenon also occurs at the same time as absorption, and magnetic resonance can be observed by measuring this (block detection method). Also, since there are many nuclei in a substance and there is a magnetic dipole interaction between them, each magnetic level has a width, and this width contributes to the width of the resonance line. The time constant when this width is converted to time is called the spin-spin relaxation time T2 _.

Even materials that are not magnetized by electrons have diamagnetic properties, so when a magnetic field is applied, it has a very subtle effect on the position of the nuclei, causing a slight change in the resonance frequency. This slight change depends on the structure of the molecules surrounding the nuclei, and is called a chemical shift. Since T1 _, T2 _, and chemical shift are highly dependent on the structure and state of a material, a lot of information on physical properties can be obtained from these measurements, and nuclear magnetic resonance has become an important tool in physical property research. Initially, as mentioned above, observations were made using continuous high frequency waves, but in the 1950s a method using high frequency pulses (spin echo) was developed and is now mainstream.

The magnetic dipole interactions mentioned above are averaged out by the fast motion of molecules in liquids, and the width of the resonance line becomes very narrow. Therefore, the resonances of organic compounds with different structures can be observed separately from each other. Using this, devices for structural analysis of organic compounds have been developed early on. Furthermore, by measuring the strength of the resonances of each part of an object and imaging it using computer graphics techniques, it becomes possible to see the distribution of the nuclei of interest. Using this, devices used for medical diagnosis (MRI) made rapid advances in the 1990s and became indispensable in medical institutions. For the discovery of the principles of MRI, the Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded in 2003 to Lauterbur and Mansfield.

[Junkichi Ito]

"The Fundamentals of Nuclear Magnetic Resonance, by Masuda Yoshikazu (1985, Maruzen)" ▽ "The Book of NMR, by Arata Yoji (2000, Maruzen)" ▽ "Iwanami Lectures: The World of Physics - Seeing and Capturing Things 3: Nuclear Magnetic Resonance Technology, by Yasuoka Hiroshi (2002, Iwanami Shoten)" ▽ "Japan Spectroscopical Society Measurement Method Series 41: NMR Spectroscopy - From Principles to Applications, edited by Akutsu Hideo, Shimada Kazuo, Suzuki Eiichiro, and Nishimura Yoshifumi (2003, Society Publication Center)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

原子核による磁気共鳴のこと。アメリカのラービが分子線による核磁気共鳴を最初に行った。1946年にブロックとパーセルによって、独立に、固体および液体についての核磁気共鳴が観測され、並行して統計熱力学的な理論も建てられ、物性物理学の一つの重要な分野となった。この業績により、1952年ブロックとパーセルにノーベル物理学賞が授与された。共鳴周波数は磁界の強さ、核の種類により、数メガヘルツから数百メガヘルツの範囲となる。以下、固体や液体についての核磁気共鳴について記す。

　電子による磁性をもたない物質中の原子核は、磁界が加えられたときには、それぞれの磁気量子数によって複数のレベルに分岐するが、熱平衡にある物質にあっては、これらのレベルのそれぞれを占める核の数は、ボルツマン統計に従って図のAのようにエネルギーの低いレベルほど多くなっており、磁化Mをもつ。この系に磁気共鳴を行わせると相隣るレベルの間に転移がおこるが、下方のレベルほど占有数が多いので転移のおこる数が多く、高周波の強度に従って、図のBのように上下のレベルの占有数の差を少なくするような状態で平衡に達する。この状態では、電磁波の定常的な吸収がおこっている。この吸収を測定するのがパーセルの磁気共鳴の検出方法である。さらに強い高周波によって激しい転移をおこさせると、図のCのように、上下のレベルを占める数が同じになってしまう（磁化はゼロになる）。この状態では転移はおこっても占有数の変化はなく、電波の吸収もなくなる（飽和）。いま、BとかCの状態のもとで高周波を切ると、系はふたたび元の熱平衡状態図のD（Aと同じ）に、時定数(じていすう)T₁をもつ指数関数的に戻っていく。このT₁をスピン格子(こうし)緩和時間という。なお、吸収と同時に分散現象も生ずるので、その測定から磁気共鳴を観測することもできる（ブロックの検出方法）。また、物質中には核は多く含まれており、それらの間に磁気双極子相互作用があるので、それぞれの磁気レベルは幅をもっており、この幅は共鳴線の幅に寄与する。この幅を時間に変換したときの時定数をスピン・スピン緩和時間T₂という。

　電子による磁化のない物質においても、反磁性的な性質はもっているので、磁界がかけられたときには、核の位置にごく微細な影響を及ぼし、共鳴周波数が少し変化する。これはその核を取り囲む分子の構造に依存するので、このわずかな変化を化学シフトという。T₁、T₂、化学シフトは、物質の構造、状態に大いに依存するものであるので、これらの測定から多くの物性的情報が得られ、核磁気共鳴が物性研究の一つの手段として重要なものとなった。当初は前述のように、連続した高周波で観測していたが、1950年代になって高周波パルスを用いる方法（スピン・エコー）が開発され、現在ではこれが主流となっている。

　前述の磁気双極子相互作用は液体中においては分子の速い運動で平均化され、共鳴線の幅はたいへん狭いものとなる。したがって、異なる構造の有機物の共鳴はお互いに分離して観測できる。これを利用して、有機化合物の構造解析用の装置も早くから開発されている。さらに物体の各部各部の共鳴の強度を測定し、コンピュータ・グラフィクスの手法を用いて画像化すると、対象としている核の分布を目の当たりにすることができるようになり、これを利用して医学的な診断に用いる装置（MRI）が1990年代になって急速に進歩し、医療機関には必須(ひっす)のものとなった。このMRIの原理の発見に対して、2003年のノーベル医学生理学賞が、ラウターバーとマンスフィールドに与えられた。

［伊藤順吉］

『益田義賀著『核磁気共鳴の基礎』（1985・丸善）』▽『荒田洋治著『NMRの書』（2000・丸善）』▽『安岡弘志著『岩波講座　物理の世界　ものを見るとらえる3　核磁気共鳴技術』（2002・岩波書店）』▽『阿久津秀雄・嶋田一夫・鈴木栄一郎・西村善文編『日本分光学会測定法シリーズ41　NMR分光法――原理から応用まで』（2003・学会出版センター）』

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例