《近代物理实验》论文 核磁共振实验及数据分析.doc

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1、核磁共振实验及数据分析——《近代物理学》实验论文目录引言一、核磁共振的背景二、核磁共振的实验目的三、核磁共振的实验设备四、核磁共振的实验原理五、核磁共振的实验方法六、核磁共振的实验数据分析与方法改进七、核磁共振的应用引言通过本学期《近代物理学》课程的学习，以及最近几周所做的四个近代物理实验，我对近代物理学的知识结构及内容有了更深层的理解和掌握，这对我日后的专业学习大有裨益。其中，我对核磁共振实验印象最深，也最感兴趣，因此就写了这篇论文。这篇论文中，我先对核磁共振的背景简要作了介绍，然后从核磁共振的实验目的、实验设备、实验原理、实验方法及实验数据分析五个方面展开，作为一篇科研性

2、质的实验论文，这是本文的核心部分；在最后一部分，我只对核磁共振的应用作简要介绍，不作详细讨论。一、核磁共振的背景在原子核中，不论是质子还是中子，它们内部均分部有电荷。当原子核处在外磁场中，那些自旋量子数不为零的核系统会出现能级分裂，这就是原子核的塞曼效应。自旋能级分裂的核在电磁波作用下，吸收电磁波产生共振跃迁的现象称为核磁共振。核磁共振的物理基础是原子核的自旋。早在1924年，泡利就提出了核自旋的假设，并由埃斯特曼等在1930年通过实验上证实。1932年中子发现之后，人们进一步认识到核自旋是质子核自旋和中子核自旋之和。质子数和中子数两者或其中之一为奇数时，核才有非零的核磁矩，

3、只有这类称为磁性核的核才能产生核磁共振。核磁共振首先由拉比于1939年在高真空中的氢原子束实验中观察到，并用于测量核磁矩。为此，他获得1944年的诺贝尔物理学奖。1949年，伯塞尔和布洛赫分别在石蜡和水这类一般状态的物质中观察到氢核的核磁共振，这项重大发明使他们分享1952年的诺贝尔物理学奖。以后随着实验仪器和测量方法的不断改进，核磁共振被广泛应用到测定分子的化学结构，人体软组织的断层扫描，研究分子内部结构的动态变化过程等领域。二、核磁共振的实验目的通过研究氢核，了解核磁共振的原理；学习核磁共振的观测方法；逐渐学习并掌握实验数据的分析方法。二、核磁共振的实验设备永磁铁，边限振

4、荡器，电源，频率器，示波器，数字式特斯拉计等。实验装置如下图所示：永磁铁边限振荡器放大检波器YX扫描磁场电源移相器永磁铁振荡器电源永磁铁中央部分为约500mT的均匀磁场，磁极上绕有扫描线圈，通50Hz的正弦交流电。为保证中央部分磁场均匀，永磁铁磁极面积较大，两极的平行度应调整得很好。边限振荡器是处于振荡和不振荡之间的仪器，其振荡线圈装在仪器背面伸出的样品管前段，它既做发射线圈，又做接受线圈，频率可以粗调、细调，频率信号的强度也可以调节，发射的射频磁场与外磁场相垂直。共振发生在w=Bγ，B=Bo+B’，对接收信号放大与检波的电路也在边限振荡器中，由输出端输出至示波器的Y轴。电源

5、对边限振荡器及音频扫描线圈供电，扫描磁场的振幅可以调节，另外，还有专门的接线柱把音频信号输到示波器的X轴，以便观察碟形信号，这一路输出信号的幅度和相位均可以调节。数字式特斯拉计的探头是一个霍尔元件，利用它放入磁场产生的霍尔电压直接变换成毫特斯拉用数字显示出来，测量前需要先调零，测量时霍尔元件的宽面必须与磁场方面垂直，否则读出的是磁场的一个分量，使用完毕应该保护好探头。二、核磁共振的实验原理设磁性核的核磁矩为μ，本征角动量为P，则有μ=qP/(2mN)式中，q为原子核电荷，mN为原子核质量。但实验测量表明，上式与实验数据不符，必须引进一个无量纲因子g，写成μ=g·qP/(2mN

6、)实验测出质子的g=5.585691,中子的g=—3.8262。可见，中子虽然是电中性的，但它也有自旋磁矩，其磁矩相对于角动量是负值，它的磁矩类型与一个旋转的负电荷相似，g称为朗德因子，不同的核有不同的朗德因子，它无法通过理论计算得到，只能由实验测定。为方便起见，我们定义μn作为原子核磁矩的单位，称为核磁子。μn=qh’/(2mN)=5.050824×10-27J/T式中，h’是约化普朗克常量。1.磁共振的产生和观察方法1)核自旋能级在外磁场中的塞曼分裂对于自旋为I的核，处于（2I+1）度能级简并态，如果把它放入磁感应强度为B的外磁场中，角动量为P和磁矩μ将以角频率wo绕B方

7、向进动。设B方向与z坐标重合，则P在z方向的投影m1h/(2π)产生（2I+1）个分立值，m1称为磁量子数，核能级产生相应的塞曼分裂，形成（2I+1）个磁能级，各能级的能量可以用E=-gμnm1B表达，相邻能级间的能量差为△E=gμnB引进符号γ，写成△E=γBh/(2π)γ称为旋磁比，显然其值只能由实验测定。本实验主要研究对象是氢核，只有一个质子，自旋量子数为1/2，在外磁场中仅分裂为上、下两个能级，其他如氟核、碳核也是如此。同时，能级间距与B成正比。如果外磁场为Bo，能级间隔为△E=γBoh/(2π