核磁共振实验教材.doc

第 核磁共振实验 第一节 基础理理论 一、Bloch方程: 1946年Bloch采用正交线圈感应法观察水的核磁共振信号后就根据经典理论力学推导出Bloch方程建立核磁共振的唯象理论。Bloch方程Bloch方程Bloch方程Bloch方程Bloch方程Bloch方程Bloch方程Bloch方程Bloch半经典的唯象理论。 1.半经典理论: 将原子核等效为角动量为的陀螺和具有磁矩为磁针。其中称为旋比。原子核在外磁场作用下受到力矩 (1) 并且产生附加能量 (2) 根据陀螺的力学原理和得 (3) 其分量式 (4) 2.驰豫过程: 驰豫过程是原子核的核磁矩与物质相互作用产生的。驰豫过程分为纵向驰豫过程和横向驰豫过程。 纵向驰豫： 自旋与晶格热运动相互作用使得自旋无辐射的情况下按由高能级跃迁至低能级，称为纵向驰豫时间。 横向驰豫： 核自旋与核自旋之间相互作用使得自发辐射信号按衰减 称之为横向驰豫时间。 （4）式改为 (5-5) 其中是原子核在平衡状态下的位置。 (5-5)式称为Bloch方程。 二、Bloch方程的解： 1.常态解 将原子核于静磁场B0中，若将B0场的方向定义为Z轴方向，那么Bx=0,By=0。 把以上条件代入（4）式得 解线微分方程组得 以上解的物理意义是在无驰豫状态下原子核绕Z轴以角频率旋转进动。相同的旋转坐标系，且新坐标系下的矢量为，在旋转坐标系下，有以下变换关系： 把以上两组关系式代入（5-5）得： 再把代入化简得： （5-7） 2.稳态解（连续核磁共振）： 原子核在静磁场B0中，B0场为Z轴方向，在X,Y加上大小为B1频率为的旋转磁场，即 ,其中B1场非常小，并且作用时间非常长并且达到稳定状态即。将以上条件代入（5）式得 代入得： （5-8）解得： 由上解可以看出： 当 时处于时共振状态，这时，信号最大。 当时 处于未共振状态，这时 以上物理意义是当外加旋转磁场的频率等于进动频率时能量发生变化产生共振现象，其共振角频率 3、脉冲激发过程： 样品置于静磁场磁场平行z轴，射频场以角频率加在样品上。射频场B分量为 () B1为射频场幅度 如果脉冲作用时间远远小于驰豫时间，那么将(7)带入()式为了推导方便和便于理解，采用旋转坐标系，旋转频率为，射频场在旋转坐标系下为，从而得到：，解得： （5-10） 其中c为常数，a为系数，为初相位角。再从旋转坐标回到实验室坐标系下得到： (5-11) 根据基本物理概念， 根据脉冲时间t可见将脉冲分为脉冲、脉冲、脉冲、脉冲。以下介绍脉冲、脉冲。其中脉冲、脉冲很少使用所以不介绍。 称为脉冲: 根据初始条件分为: a)基态：经过脉冲后得到 因为对电磁辐射有贡献的是B的x，y方向，所以在基态经过脉冲后可以得到最强的电磁辐射。注意最强的辐射不是完全在激发态，因为完全在激发态时虽然激发态能量最高但是和电磁场得耦合最弱。 b)激发态经过脉冲后得到 所以在激发态经过脉冲后也可以得到最强的电磁辐射 c)辐射状态 经过脉冲后得到因为对电磁辐射有贡献得是B的x，y所以在B横向最强时经过脉冲后不管处于激发态还是基态辐射为零。 称为脉冲: 根据根据初始条件分为: 基态经过脉冲后得。基态跃迁至激发态。原子核在激发态下辐射为零。 任意状态经过脉冲后得 () 又可表达为 ( 即沿着X轴方向翻转180O。 4.自由衰减过程(自发辐射): 不加射频场脉冲， 所以(6)式变为 () 其解为 (5-15) 第二节 连续核磁共振实验一、实验目的： 用边限振荡器扫场法观察H的核磁共振现象，验证共振频率与磁场的关系。 测定H核的g因子、旋磁比及核磁矩 。 观察F的核磁共振现象。测定F核的g因子、旋磁比及核磁矩 二、实验装置及原理条件下可以得到共振曲线如图（5-2-1A），实验中我们采用边限振荡器 实验装置永磁铁、边限振荡器、扫场电源、频率计、示波器。 边限振荡器边限振荡器是处于振荡与不振荡边缘状态的LC振荡器（也有翻译为边缘振荡器 marginal oscillator），样品放在振荡线圈，振荡线圈和样品一起放在磁铁中。当振荡器的振荡频率近似等于共振频率时振荡线圈内射频磁场能量被样品吸收使得振荡器停振，振荡器的振荡输出幅度大幅度下降，从而检测到核磁共振信号。 扫场电源扫场电源控制共振条件周期性发生以便示波器观察同时可以减小饱和对信号强度的影响。一般扫场采用频率50Hz市电