电子论文-核磁共振(NMR)实验

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1、实验八核磁共振(NMR)实验核磁共振（NuclearMagneticResonance），是指具有磁矩的原子核在静磁场中，受到电磁波的激发而产生的共振跃迁现象．1945年12月，美国哈佛大学珀塞尔（E.M.Purcell）等人，首先观察到石腊样品中质子（即氢原子核）的核磁共振吸收信号．1946年1月，美国史丹福大学布珞赫（F.Bloch）研究小组住在水样品中也观察到质子的核磁共振信号．两人由于这项成就，获得1952年诺贝尔物理奖．核磁共振的相关技术仍在不断发展之中，其应用范围也在不断扩大，希望通过本实验能使同学能了解其基本原理和实验方法

2、．【实验目的】1．了解核磁共振基本原理；2．观察核磁共振稳态吸收信号及尾波信号；3．用核磁共振法校准恒定磁场B0；4．测量g因子．【实验原理】1．核磁矩及其排列核磁共振理论的严格描述必须用到量子力学，但也可以用比较容易接受的经典物理模型进行描述．许多原子核（并非全部）可被看成为很小的条形磁铁，有磁北极和磁南极。原子核以南北磁极连线为轴，以恒定速率图1原子核的磁矩旋转，所以这些原子核具有不为零的角动量P和磁矩，简称核磁矩．图2没有外磁场时图3与外磁场作用时通常，原子核的磁极可以指向任意方向，如无外界干扰，它们的指向是没有限制的．一般我们面

3、对的总是数量巨大的原子核群，它们磁矩的矢量平均值为零，即宏观上对外表现没有磁矩．但是当把这些原子核群放在外部磁场中时，原子核的磁矩要与外磁场相互作用，最终的结果是原子核群合成的宏观磁矩m不为零，并与外磁场保持平行．简单的，可以看成是原子核的排列与外磁场平行．2．经典物理的矢量模型——拉莫尔进动-30-在牛顿力学中，一个有一定质量的高速旋转的物体受到重力作用时，当自转轴不与重力平行时，就会产生进动．自然，由于核磁矩与外磁场的相互作用，原子核也会产生进动。如图1所示。由角动量定理可知，其力矩为dpL=m´B=（1）dt这个力矩L迫使

4、角动量P的方向发生改变，围绕外磁场B的方向旋转。磁矩m的方向和自旋角动量L平行，大小成比例，关系为m＝gP，所以得到磁矩m的进动关系：dm=m´gB（2）dt其中g称为旋磁比．上式的矢量关系可用图4表示．进动的角频率w０为：图4拉莫尔进动w=gB（3）0m与外外磁场B的作用能为：E=-m×B=-mBcosq（4）3．共振如果这时在x-y平面中加一个旋转磁场B1（见图5），当B1的角频率w与进动的角频率相等时，磁矩m当与B1相对静止，那么会使磁矩m再绕B1产生进动，结果使夹角q增大，说明原子核吸收能量，势能增加．所以要使原子核产

5、生z共振，其条件为：w=w=gB（5）B0g的大小与原子核的性质有关，这是一个可测量的物理量，其意义是单位磁感应强度下的共振频率．对于裸露的质子，g/2π=42.577469MHz/T．但在原子或分y子中，由于原子核受附近电子轨道的影响使核所处的磁场发生变化，导致在完全相同的外磁场下，不同化学结x构的核磁共振频率不同．g/2π值将略有差别，这种差别是研究化学结构的重要信息，称为化学位移．图5共振时m的运动状态由量子力学的处理可得到旋磁比g与g因子的关系：-31-meNg=g=g（6）2mp式中mN=e/2mp称为核磁子，常用作度量核

6、磁矩大小的单位．它是玻尔磁子mB=e/2me的1/1836，m是质子质量，m是电子质量，=h/2p，h为普朗克常数．peg是一个无量纲的量，称“核g因子”，又称朗德因子．数值取决于原子核的结构，不同的原子核，g的数值是不同的．对于核磁共振，在量子力学中的解释是，核磁矩与外磁场的作用造成能级分裂，当加上一个与能级间隔对应的交变磁场时，将产生共振跃迁，粒子从交变磁场中吸取能量。其关系是：ΔE=hn=w=gB（7）4．共振信号要产生一个旋转磁场是比较复杂的，实际上仅用一个直的螺线管线圈就能产生所需的共振磁场，如图6所示．尽管这样的线圈

7、只能产生线偏振的磁场，至于为什么也能够产生共振？请同学们自己分析．从原理上说，有了外部的静磁场B和合适的共振磁场B1，就已经产生共振了，但是如何才能观察到共振信号，这里还要做技术上的处理．图6产生共振磁场的方法为了能够在示波器上观察到稳定的共振信号，必须使共振信号连续重复出现．为此，可以固定共振磁场的频率，在共振点附近连续反复改变静磁场的场强，使其扫过共振点，这种方法称为扫场法．这种方法需要在平行于静磁场的方向上迭加一个较弱的交变磁场，简称扫场．在连续改变时，要求场强缓慢地通过共振点，这个缓慢是相对原子核的驰豫时间而言的．仔细地研究一下

8、图7对如何能顺利地操作实验是很有好处的．图7给出了扫场频率为50Hz时，外磁场随时间的变化及相应的共振信号的关系．从图中可知道，静磁场场强的变-2-4化范围是B=B±B'，要注意，实际扫场的振幅是很小的，在