自旋—晶格弛豫時(shí)間T1

由裸原子核組成的樣品是不存在的，原子核總是在分子和原子之內(nèi)。原子核和周圍環(huán)境有可以測(cè)量的相互作用。首先考慮一個(gè)磁化過(guò)程，如圖1所示，把樣品置于外磁場(chǎng)中，它是怎樣發(fā)生磁化的呢？置入前，核基態(tài)自旋能級(jí)是簡(jiǎn)并的，即隱含著磁能級(jí)。置入后，能級(jí)正負(fù)對(duì)稱劈裂形成磁能級(jí)，即塞曼能級(jí)。起初，各塞曼能級(jí)上核自旋數(shù)目相等，這對(duì)應(yīng)“高自旋溫度”。然后，經(jīng)過(guò)弛豫過(guò)程逐步達(dá)到負(fù)能級(jí)上核自旋數(shù)目稍多而正能級(jí)上核自旋數(shù)目稍少，以滿足玻耳茲曼分布的熱平衡狀態(tài)，此謂核樣品B0所磁化。顯然核自旋系統(tǒng)的總能量是減少了?？梢?jiàn)磁化對(duì)核自旋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)失能“降溫”過(guò)程。

通常把原子核所在環(huán)境的周圍所有分子，不管是固體、液體或氣體，都概括地用“晶格”代表。自旋系綜與晶格之間必須有某種形式的“熱接觸”，它交一部分能量給晶格，才能“冷”到晶格溫度，達(dá)到熱平衡，建立起玻耳茲曼分布。

原子、分子、離子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，電子軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)在核自旋的位置上產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)或起伏的電磁場(chǎng)，這種波動(dòng)的頻率和相位是雜亂的。如果其中有某種頻率成分的電磁場(chǎng)，其能量子hv正好與相鄰的塞曼能級(jí)間距近似相等，就會(huì)誘發(fā)兩能級(jí)之間的躍遷，且向下躍遷占優(yōu)勢(shì)。

通常晶格系統(tǒng)熱容量比自旋系統(tǒng)熱容量大的多。自旋系統(tǒng)中可以從晶格中找到與它匹配的電磁場(chǎng)，把能量交出去，使塞曼能級(jí)上核自旋數(shù)趨近于玻耳茲曼分布，以形成靜磁化強(qiáng)度M0。M0一旦受到擾動(dòng)，偏離平衡位置，在解除擾動(dòng)后，Mz總是向M0恢復(fù)．這一過(guò)程是通過(guò)自旋—晶格相互作用進(jìn)行的，故叫做自旋—晶格弛豫，描寫自旋—晶格弛豫過(guò)程長(zhǎng)短的特征時(shí)間叫做自旋—晶格弛豫時(shí)間(spin—1attice relaxation)，用T1表示。

T1短意味著弛豫過(guò)程快，也意味著晶格場(chǎng)中有較強(qiáng)的適合與自旋系統(tǒng)交換能量的電磁場(chǎng)成分(頻率相近)。反之，T1長(zhǎng)則意味著晶格場(chǎng)中這種電磁場(chǎng)成分比較弱．對(duì)不同物質(zhì)，T1差別很大，從幾百ms到幾天．純水的T1＝3s．人體水的T1約在500 ms~1s范圍．固體中T1很長(zhǎng)，幾小時(shí)甚至幾天。