近代物理实验讲义定稿1

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1、实验五核磁共振观测目的：1、初步了解核磁共振的原理及是实验装置；2、初步学会利用扫频法观察氢核的核磁共振现象；3、加深对核自旋的认识仪器：CNMR－1核磁共振仪原理：1、核磁共振：指在外磁场作用下氢原子核系统中磁能级之间发生共振跃迁的现象。具体的说，就是原子核的自旋磁矩在外恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场发生拉莫尔进动，若此时在垂直于外磁场的平面上施加一交变电磁场，当此交变射频场频率等于核磁矩绕恒定外磁场进行拉莫尔进动的频率时，发生谐振的现象；其表现是核磁共振吸收能量。如图所示：2、核磁共振的作用：原子核可以看成自然界安排在物质内部的微小探针。只要很小的射频量子能量（）就可以探测到物质微观结

2、构的信息，由于原子核成对相互作用对局部环境很敏感，核磁共振信号可提供丰富的物资结构信息，诸如谱线宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场方向上准确位置，精细结构等，对确定物质分子结构、组成和性质等研究有重要价值。3、核磁共振吸收：A：旋磁比：对于质子数和中子数两者或其一为奇数的原子核有核自旋，其磁矩u与核自旋角动量J成正比。可写成：即旋磁比，其值可正可负，由核的本性决定。-7-B：g因子，是一个无量纲因子，实验上常用以代替，其间关系为：（）其中为核自旋量子数，玻尔核磁矩，电子电荷，质子质量。c：外磁场作用：当核自旋系统处在恒定磁场中时，由于核自旋和磁场的互相作用，核能级发生塞曼能级分裂。对于氢核

3、的简单核系统，核能级分裂成上、下两个能级和，上、下两能级上的自旋粒子数分别为和，热平衡时自旋粒子随能量增加按指数规律下降，有。同时塞曼分裂上、下两能级间能量差与g和成比。分裂能级如图：其中分裂能级间能量差为拉莫尔运动磁力矩为拉莫尔进动频率D：射频场：在垂直于方向上加一个频率为(～Hz)的射频磁场（<<),当射频场的量子能量与塞曼分裂正好相等时，即满足：此时发生能级间核自旋粒子由到的受激吸收跃迁和由到的受激发射跃迁，这两种发生方向相反的跃迁几率相等且与成正比，由于，对于核自旋系统，（N在～以上）统计结果是从射频磁场吸收能量产生核磁共振吸收，为核磁共振条件。4、纵向驰豫和横向驰豫-7-驰豫过程

4、：核自旋系统，通过自旋和晶格之间的相互作用以及自旋与自旋之间相互作用，逐步由非平衡态过渡到平衡态的过程。由于物质间相互作用产生，普遍存在于各种宏观物质中，发生核磁共振的前提是核自旋体系磁能级间粒子数差不为零，而核磁共振本身则是此粒子数由起始值按指数规律变化，且随时间增大而变小。由于共振吸收，系统处于非平衡态，如不计驰豫效应则无法观察到稳定的共振信号。驰豫效应分为纵向和横向的驰豫。纵向驰豫过程主要表现自旋－晶格相互作用，是共振核自旋系统与晶体中其他核交换能量，从非平衡态到平衡态所需的时间，用表示；横向驰豫过程是共振核与邻近核自旋－自旋的相互作用，从而交换能量的过程，其所需用的时间用表示。理论

5、和实验已表明，驰豫过程使粒子处于某一状态的时间有一定的限制，减小将使共振吸收谱线宽度增加；另外射频场越大，粒子受激几率越大，使粒子处于某一能级的寿命减小，同样也使共振吸收谱线变宽；总之，驰豫过程中，受激离开平衡态的核系统通过能量交换能再次恢复到平衡态，这样就出现连续不断的共振信号，从而使我们能从示波器上检测到一个稳定的核磁共振吸收信号。理论上，为三峰等间距时的园频率，为二峰合一时的园频率，为提供电磁铁工作的50赫兹交流电，为三峰等间距时半高宽对应的时间，如图所示：实验原理图：-7-实验内容：1、调试并观察溶液样品中氢核核磁共振吸收时尾波信号，并通过移动样品位置，定性考察磁性分布情况；描出氢

6、核共振吸收信号；2、利用尾波信号法估算横向驰豫时间；3、测算溶液中氢核核磁共振吸收时磁场大小；（、、）4、用李萨如图形观测共振吸收信号并描图。-7-实验十磁阻效应目的：1、加深对霍尔效应的理解；2、通过对磁阻效应的测量,加深对正常磁电阻现象的理解仪器：MR-1磁阻效应实验仪概述：磁阻器件由于其灵敏度高，抗干扰能力强等优点，使之在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛。例如：伪钞鉴别、交流车辆检测、导航系统、数学罗盘、位置测量等探测器。磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻、各向异性磁电阻、特大磁电阻、巨磁电阻和隧道磁电阻等，其中以正常磁电阻应用最为普遍。锑化锢（Insb）传感器

7、是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。本实验使用两种材料作为传感测量，以砷化镓caAs测量磁感应强度，同时研究锑化锢在磁感应强度下的电阻，实验中融合了霍尔效应和磁阻效应两种物理现象。具有科学的前瞻性。原理：1、磁阻效应：一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化的现象。2、微观机制：如图1所示：在磁场B作用下，半导体内截流子将受洛仑兹力的作