实验核磁共振实验

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1、核磁共振实验讲义实验目的：1.丫解核磁丼振的菽木原理，包括：对核自旋、在外磁场中的能级分裂、受激跃迁的菽木概念的理解，同时对实验的甚本现象有一定认识。2.学习利用核磁共振校准磁场和测M因子g的方法：了解实验设备的基本结构，掌握利用扫场法创造核磁共振条件的方法，学会利川示波器观察共振吸收信号。实验简介：自旋不为零的粒了，如电了•和质了，具冇自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒了•的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产牛.分裂，分裂后两能级间的能景差为△E=YhB0(1)其屮：Y为旋磁比，h为约化普朗可常数，Bn为稳恒外磁场。如果此时再在稳恒外磁场的

2、垂直方M加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为E=hv(2)艽中：v为交变电磁场的频率。当该能M等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：hv=yhBo(3)27tv=yBo(4)低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能景产生跃迁，即所谓的磁共振。边限振荡器实验设备a）样品：提供实验用的粒子。b）永磁铁：提供稳恒外磁场，中心磁感应强度B约为Bo（实验待求）。c）边限振荡器：产生射频场，提供一个垂直与稳恒外磁场的交变磁场，频率v。同时也将探测到的井振电信号放人输出到示波器，边限振荡器的频率由频率计读出。d）绕在永铁外的磁感应线圈：K提供一个S加在永磁铁上的扫场。e）调压变压器

3、：为磁感应线圈提供50Hz的扫场电压。0频率汁：读取射频场的频率。g）示波器：观察共振信号。探测装a的工作原理:图一屮绕在样品上的线圈足边限鹿荡器电路的一部分，在非磁共振状态卜*它处在边限震荡状态（即似振非振的状态），并把电磁能加在样品上，方m与外磁场垂直。当磁井振发生时，样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能景使振荡电路的q值发生变化，振荡屯路产生显著的振荡，在示波器上产生共振信号。实验原理：/十:微观世界中物理量只能取分立数值的现象很啓遍。一般来说原子核pi旋角动量也不能迮续变化，只能取分立值即：AE=yfiBo=外加交变电磁场Bp当其频率满足hv=AE=时发生磁

4、共振图11=1/2的粒子磁矩在磁场中的取向及能级其中I称为自旋量了数，只能取0,1，2,3,...等整数值或1/2,3/2,5/2，...等半整数值p=［右阁是在外磁场B（＞屮塞曼分裂图（半数以上的原子核具杏自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，即塞唛效应。）］本实验涉及的质子和氟核F19的自旋暈子数1都等于1/2。类似地原子核的£1旋角动暈在空间某-方14,例如z方向的分景不能连续变化，只能取分立的数值p=mA其中量子数m只能取1,1-1-1+1，-1等(21+1)个数值。自旋角动量不为零的原子核貝•有与之相联系的核6旋磁矩，简称核磁矩

5、(magneticmoment)0其人小力其中e为质子的电荷，M为质子的质量，g是一个由原子核结构决定的因子，对不同利1类的原子核3的数值不M,g成为原子核的g因子。由于核A旋角动量奋:任意给定的z方昀的投影只可能取(21+1)个分立的数伉,因此核磁矩在z方h'd上的投影也从能取(21+1)个分立的数位：eeh~82MPz_gm2M原了核的磁矩的单位为:mN称力核磁子。采川mN作力核磁矩的申位以后，mz可记力mz=gmmN。而核磁矩与角动量本身的人小相对应即：角动量为：我1+价核磁矩为：g掏，N除了用g因子表征核的磁性质外，通常引入另一个可以由实验测量的物理量g，

6、g定义为原子核的磁矩与白旋角动菊:之比：/=¥=-^~利用8我们可写成//1口，相应地有//z=gpz。p2M当不存在外磁场时，原子核的能M不会因处于不同的自旋状态而不同.但足，当施加一个外磁场B后，惜况发生变化.为了方便起见，通常把B的方向规定为z方向，由于外磁场B与磁矩的相互作用能为：E=-jUxB==-yPzB=-jmtiB核磁矩在加入外场B后，具有了一个正比于外场的频率，量子数m取值不同，则核磁矩的能M也就不同。原来简并的IM)—能级分裂为(21+1)个子能级。不M子能级的能量瓜然不但相邻能级之间的能量间隔却是一样的即△£二冲B而且，对于质子而言，1=1/

7、2,因此，m只能取m=l/2和m=]/2两个数值。简并能级在磁场中分开。其屮的低能级状态，对疢EpmB，与场方h'd—致的自旋，而高的状态对应于E2=-mB,与场方h'«j相反的自旋。当核自旋能级在外磁场B作用下产生分裂以后，原了核在不同能级上的分布服从玻尔兹曼分布。若在与B垂直的方向上再施加一个高频电磁场（射频场），且射频场的频率满足一定条件吋，会引起原子核在上下能级之间跃迁。这种现象称为共振跃迁（简称共振）。发生井振时射频场需要满足的条件称为共振条件v=1b如果用圆频率w=2ttv表示，井振条件口jW成69=沖通过测S质了在磁场B中的K•振频率vh可实现对磁场

8、的校准，即