核磁共振(NMR)

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1、实验九核磁共振（NMR）实验目的1、了解核磁共振基本原理和实验方法。2、以含氢核的水作样品，观测影响核磁共振吸收信号大小及线宽的因素。3、学会利用核磁共振测量磁场强度。4、测量原子核的旋磁比和朗德因子。核磁共振（NeclearMagneticresonance简称NMR）现象是1939年发现的。到1946年应用了射频技术，简化了实验设备，使NMR实验走向实用阶段。近年来随着实验技术的发展，特别是计算机的应用，使NMR实验方法更加完善。因此它已成为物理、化学、生物、医学、材料科学等许多领域内进行研究的重要手段和方法。NMR技术以快速，准确和不破坏样品等显著的优点，通过对原子核磁性质的研究，获得

2、物质结构方面的丰富信息。在基本计量测试方面也是精确测量磁场标准方法之一，其精度可达0.001%以上。因此NMR实验已成为国内外高等院校近代物理实验基本内容之一。实验原理一、NMR现象的经典描述原子核具有固有磁矩uI，其值为=式中gN为原子核的朗德因子，pI为核的自旋角动量，mP的质子的质量。当原子核处于稳恒磁场B0中，则它受到由磁场产生的力矩作用，其值为L=MlB0。此力矩使原子核的角动量Pl发生变化，角动量的变化率就是力矩(12-1)由于力矩的方向垂直于B0和Pl，它不改变角动量的大小，而使角动量的方向不断改变，即使Pl在图12-1所示的方向连续地旋进。从图12-1（a）上面向下看，Pl的

3、端点作半径为Plsinaw0的圆周运动，如图12-1（b）所示。设其角速度为，则线速度为Plsinaw0，由此可求出Pl的时间变化率=，则根据（12-1）式有(12-2)式中称为核的旋磁比，不同元素的核有不现的值，故其值也不同，所以也是一个反映核的固有性质的物理理，其值可由实验测定。为核磁子，是核磁矩的单位，其值为（12-2）式就是拉莫尔（Larmor）旋进公式，称为拉莫尔旋进角频率。由公式可知，核矩在稳恒磁场的作用下，将绕磁场方向作旋进，其旋进频率决定于核的旋磁比和磁场B0的大小。如果再在垂直于B0的平面内加一个角频率相同的弱旋转磁场B1，如图（１２－２）所示。则磁矩ul除受B0的作用外，

4、还受到Ｂl的影响。由于B1的w=w0，即Bl与ul相对方位保持固定，则Bl对ul的作用也以一稳恒磁场的形式出现，它将导致ul绕Bl旋进，因而使ul原来绕旋进的夹角a增加。由核磁能的表达式E＝　　　可知，ul对B0的空间取向的变化，表示原子核从弱磁场B1中吸取了能量使自己能增加，这就是核磁共振。发生核磁共振的条件为一、NMR现象的量子力学理论由量子力学的理论，原子核的自旋角动量是量子化的，pl只能取下列数值Ｉ是表征核性质的自旋量子数，可取0，1/2，1，……诸值之一，则核磁矩ul的值为该原子核处于磁场B0中，则磁矩相对磁场的取向也是量子化的，其分量只能取以下值式中m=I，I-1，…，-(I-1

5、)，-I，称为核磁量子数。由此可知，在磁场中原来的一个核磁能级要分裂为不连续的几个能级，其能量为核自旋量子数为Ｉ的能级在磁场中就分裂为2I+1个能级，每一个能级与磁矩在空间的一定取向相对应。氢核(1H)的自旋量子数I=1/2，磁量子数为m=1/2和m=-1/2两个值；故1H在磁场作用下核磁矩相对于磁场的取向所对应的能级如图12-3所示。被分裂成的两个能级的能量差为当1H核所在稳恒磁场区域叠加一个交变磁场时，它的方向与原磁场垂，如果其频率正好满足则处于低量级的1H核就有可能吸收能量hv而跃迁到高能级上去，即产生核磁共振现象。氢核NMR现象在不足1特斯拉稳恒磁场和几十兆赫射频磁场的情况下，就可以

6、相当容易地观察到。NMR实验的样品是一个含有很大数目核子的系统。在热平衡时核子数分布与能级的关系服从玻耳兹曼统计规律。若N0个磁矩为ul自旋量子数为I的核处在磁场中，能量为E的核数为对1H核两个能级的能量为则每一能级的核子分布数为从上式可知，m=+1/2态比m=-1/2态能级略低，核子数目略多，其差值称为超量核子数，用Ns表示为将指数函数展开，在室温条件下，可略去高次项，得超量核子数的氢核能够吸收射频场的能量，从m=+1/2态跃到m=-1/2态，产生核磁共振。样品中超量核和其它核处于一个热平衡系统中，在发生磁共振时，超量核吸收射能量跃迁到高能级，同时不断吸收到的能量通过各种机制传送出去，回到

7、低能级，使系统达到新的热平衡。这样就能出现连续不断的共振现象，从而使我们能够观察到一个稳定的核磁共振吸收信号。三、NMR信号的半宽度核系统受激离开平衡态后，通过能量交换恢复到平衡态的过程称弛豫过程。核的能量交换有两种类型，一是核自旋和周围的晶格进行交换，称自旋-晶格弛豫；另一类是核自旋和邻近核的自旋交换，称自旋-自旋弛豫。弛豫过程的存在，对NMR信号有很大的影响，自旋-晶格弛豫影响到NMR信号的强度，而自旋-