最新[精品]物理实验技术讲座----磁共振技术ppt课件.ppt

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1、[精品]物理实验技术讲座----磁共振技术核磁共振（NMR）一、核磁共振与诺贝尔奖二、核磁共振原理三、核磁共振波谱四、核磁共振技术的应用五、问题与讨论一、核磁共振与诺贝尔奖历史上有16位科学家因为对核磁共振做出贡献而得到诺贝尔奖。核磁共振的研究还在继续，包括在量子计算机领域的应用，相信还会有科学家得奖。以下是主要的几次诺贝尔奖。2003年诺贝尔医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)。磁共振成像技术可以用于人体的各个器官。二、核磁共振原理核磁共振主要是由原子核的自旋运动

2、引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，大致分为三种情况，半数以上的原子核具有自旋，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，即塞曼能级分裂。分类质量数原子序数自旋量子数INMR信号1偶数偶数0无2偶数奇数1,2,3…(I为整数)有3奇数奇数或偶数1/2,3/2,5/2…(I为半整数)有三种情况讨论:1.I=0的原子核,如O(16)；C（12）；S（22）等,无自旋，没有磁矩，不产生核磁共振吸收。2.I=1或I>1的原子核这类原子核的核电荷分布可看作一个

3、椭圆体,电荷分布不均匀，核磁共振吸收复杂，研究应用较少；3.Ｉ＝1/2的原子核如原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素,因此C，H的NMR谱研究得到广泛应用.核磁矩当自旋核处于磁场强度为的外磁场中时，除自旋外，还会绕运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相象，称为进动.根据量子力学原理:核磁矩是朗德因子,是核磁子自旋核在外磁场中由于相互作用,能量为:E0=－µN•B0=－µZB0＝－γNmIħB0式中是何的旋磁比,是磁量子数.取值从-I,-I+1,……,I-1,I.共２I＋

4、１个.自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。能级分裂当置于外加磁场B0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向：如氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;相应的核磁能级其能级差：如果外磁场强度为B1,则能级差为：EB0B1B⊿E0⊿E1若B1>B0，则有⊿E1>⊿E0，如图A核磁共振的条件:自旋磁旋与外磁场方向相同的核吸收能量后可以跃迁到较高能级，磁旋变为与外磁场方向相反．电磁辐射可以

5、有效地提供能量．因此可以在垂直外磁场方向再加一个射频场(高频电磁波),当其辐射能恰好等于跃迁所需要能量时，即E辐=hv=⊿E，就会发生这种自旋取向的变化，即核磁共振.此时:由上式可求得不同磁场强度时发生共振所需的频率,反之亦然.核磁共振的条件:(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)辐射能量与外磁场有核磁共振技术:研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场作用到核系统上，观察到核对频率的响应信号。另一种是脉冲方法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速付里叶变

6、换，技术要求较高。连续波核磁共振操作技术:1.固定磁场扫频；2.固定辐射频率扫场.扫场技术容易实现,一般连续波核磁共振技术都采用扫场技术.频率计扫描过程中信号的变化聚四氟乙烯样品的共振吸收曲线水样品的共振吸收曲线氟核氢核饱和与弛豫:饱和在外磁场的作用下，氢核倾向于与外磁场取顺向的排列，所以处于低能态的核数目比处于高能态的核数目多，但由于两个能级之间能差很小，前者比后者只占微弱的优势,因此NMR信号十分微弱.热平衡时,对于大量的原子核,处于不同能级的原子核的数量服从玻尔兹曼分布:在室温300K,处于能级为上的原子核的数量比值为:,相差很小.氢核NMR的讯号正是

7、依靠这些微弱过剩的低能态核吸收射频电磁波的辐射能跃迁到高能级而产生的。如高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，此时处于低能态的氢核数目与处于高能态1H核数目相等，与此同步，NMR的讯号也会逐渐减弱直至最后消失。上述这种现象称为饱和.弛豫氢核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态，这种过程称为弛豫，弛豫的方式有两种：1.自旋-自旋弛豫（横向弛豫）：两个处在一定距离内，进动频率相同、进动取向不同的核互相作用，交换能量，改变进动方向的过程。2.自旋-晶格弛豫（纵向弛豫）：处于高能态的核通过交替磁场将能量转移给周围的

8、分子，即体系往环境释放能量，本身返回低能态。因此弛豫