近代物理实验核磁共振.pptx

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1、核磁共振一、背景知识；二、实验目的；三、实验原理；四、实验装置；五、实验内容；目录实验背景在1946年，美国哈佛大学教授珀塞尔（E·M·Purcell）和斯坦福大学教授布洛赫（F·Bloch），他们用不同的方法同时发现了核磁共振，简称“NMR”。由于这项发明工作是各自独立地完成的，因此两人分别获得了1952年的诺贝尔物理学奖。如今，“NMR”已在物理、化学、生物学、医学和神经学等方面获得了广泛的应用。比如，在研究物质的微观结构方面已形成了一个科学分支——核磁共振波谱学；利用核磁共振成像技术，美国加州福尼亚大学洛杉机分校的教授

2、们做出了老年痴呆症的脑电图，人们可以清楚地看到老年痴呆症患者大脑灰白质损失从轻微阶段发展到严重阶段的过程。实验目的1．测定氢核（¹H）的“NMR”频率（υH），理解“NMR”的基本原理及其条件，精确测定出其恒定外加磁场的大小（B0）。2．测定氟核（19F）的“NMR”频率（υF），测定氟原子的三个重要的参数－旋磁比（υF）、朗德因子（gF）、自旋核磁矩（μI）。实验原理（一）量子力学描述：设现有角动量为P、磁矩为u的原子核，核自旋角动量应满足：式中I为核自旋量子数，可取整数或半整数。原子核的磁矩为：核磁矩可以表示为：称为旋磁

3、比，由实验测定。原子核处于外磁场中时，由于空间量子化，磁量子数有2I+1个取值，核能级分为2I+1个，相邻能级能量差为：由于选择定则，跃迁时吸收或辐射能量子的频率应满足：根据塞曼效应理论，当时辐射或吸收圆偏振电磁波。实验中，我们沿着垂直于恒定磁场B0的方向上加上一个频率为w的交变磁场2B1coswt，在X方向右旋，在Y方向左旋，只有与拉莫尔进动方向相同的才起作用。设该交变磁场的频率为，则核磁共振的频率条件为：（二）经典力学描述：如外磁场为Bx=By=0，Bz=B0，则总磁矩绕B进动，核磁矩在xy平面上的投影为一转动的矢量，转

4、动角频率如在xy平面内加一旋转磁场B1，旋转角频率为，当它与相等时，B1对的方位保持不变，B1对产生有效的作用，使绕B1方向旋进，且有，使夹角发生变化，从而系统能量随发生改变。当外磁场和弛豫过程同时存在时，描述核磁共振现象的基本运动方程为：此式为布洛赫方程，i，j，k为单位矢量。在不同情况下解布洛赫方程的分量形式方程，可以解释各种核磁共振现象。实验装置实验装置图吸收法：样品置于小管内，管外绕一小线圈放置于静磁场中，线圈轴线与B0方向垂直，在线圈导线中通以频率为的射频电流。当、B、g值共振条件时：本实验采用吸收法，采用边缘振荡

5、器测量核磁共振信号。边缘振荡器边缘振荡器并不工作在振幅稳定的状态，而是调节在刚刚起振的边缘。当样品达到共振吸收功率时，振荡线圈的品质因素Q值降低，振幅就有较大下降。振荡信号经检波放大后得到振荡幅度的包络线，也就是共振吸收曲线。数字频率计读出射频场的频率。实验内容精确测量磁场把样品为水（掺有氯化铁）的探头置于磁场中，将样品盒上的“频率输出”和“检波输出”分别与频率计和示波器相连接。开启频率计、示波器和探头的开关，这时频率计上应有读数显示。通过调压器接入50Hz交变磁场，缓慢地调节边缘振荡器的频率调节旋钮，监视示波器，搜索共振信

6、号。只有当时才会发生共振。如果外磁场是由磁场B0和一个50Hz交变扫场叠加而成的，此时总磁场应为：其中，B’是交流扫场的幅度，w’是市电的圆频率。总磁场在（B0-B1）到（B0+B1）的范围内变化，只有落在这个范围内才会发生共振。使示波器上的两峰重合，则磁场强度为：精确测量磁场判断吸收信号排列是否均匀会给实验结果带来误差。为减小判断误差，可在能观察共振信号的前提下，把B减小到最小的幅度。若需进一步估计B0的测量误差，可在保持扫场幅度不变的前提下调节射频场的频率，使共振先后发生在（B0+B’）与（B0-B’）处。此时信号间隔为

7、20ms，记下两次共振频率和利用公式：求出扫场幅度B’，以B’的1/10作为B0误差的估计值。19F三个重要物理量的测量若已知B0，通过测量未知原子核的共振频率便可求出原子核的值、g因子及核磁矩。以19F为例，本实验采用聚四氟乙烯为测量样品，这三个物理量的测量分别以下面的式子表示：最后，用NMR测量电磁铁的B-I曲线。