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核磁共振实验
引言
1945年12月的美国哈佛大学科学家Purcell和1946年1月美国斯坦福大学Bloch发现核磁共振现象,两人由于这项成就,获1952年诺贝尔物理学奖。在核磁共振技术方面作出重要贡献的12位科学家获得诺贝尔化学奖。
核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)是指自旋磁矩不为零的原子核,在外磁场中,其核能级将发生分裂。若再有一定频率的电磁波作用于它,分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。
核磁共振是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于核的信息的技术。核磁共振技术在物理、化学、生物、医学和临床诊断、计量科学、石油分析与勘探等许多领域得到重要应用。
本实验通过用最基本的核磁共振仪器操作,希望使同学能了解其基本原理和实验方法。
实验目的
1、了解核磁共振的基本原理
2、观察核磁共振稳态吸收信号及尾波信号
3、学习利用核磁共振校准磁场
4、测量g因子的方法
实验原理
核自旋与核磁矩。
核自旋角动量: (1)
式中,:普朗克常数;:自旋量子数,
质量数 原子序数 自旋量子数I
偶数 偶数 0
偶数 奇数 1,2,3….
奇数 奇数或偶数 1/2;3/2;5/2….
核自旋角动量在空间某一方向,例如方向的分量:
(2)
其中:磁量子数, =…,共 的数值。
核 磁 矩:
(3)
:质子的电荷,:质子的质量,:核的朗德因子,它可正,也可负
当施加一个外磁场后,通常把的方向规定为方向,
(4)
:核磁子,常用作度量核磁矩的单位,
通常引入核的旋磁比,定义原子核的磁矩与自旋角动量之比:
(5)
相应地有
(6)
2、能级分裂与共振跃迁
在外磁场B中,核磁矩与其作用能
(7)
因可取个值,从而原来简并的同一能级分裂为 个子能级,相邻子能级的能量间隔
而且,对于质子而言, ,因此只能取和 两个数值,施加磁场前后的能级分别如图1中的(a)和(b)所示
的总能量增加,这相当于系统从射频场中吸收了能量。
若在与垂直的平面上再施加上一个高频电磁场, 通常为射频场,当射频场的频率满足 时会引起原子核在上下能级之间跃迁,我们把时引起的跃迁称为共振跃迁,简称为共振。显然共振时有
(8)
从而要求射频信号频率满足共振条件:
(9)
对裸露的质子,共振频率 ;但对于原子或分子中处于不同的基团的质子,由于不同质子所处的化学环境不同,受到周围电子屏蔽的情况不同,的数值将略有差别,这种差别称为化学位移,对于温度为25摄式度球形容器中水样品的质子,,本实验可采用这个数值作为很好的近似值,通过测量质子在磁场中的共振频率可实现对磁场的校准,即
(10)
反之,若已经校准,通过量未知原子核的共振频率便可求出待测原子核值(通常用值表征)或因子;
(11)
(12)
其中
共振信号
根据玻尔兹曼粒子数能级分布原理,在没发生共振时,处在下能级的粒子数要比上能级的多, 其实数由大小、系统的温度和系统总粒子数决定,当射频场的频率满足 时会引起原子核在上下能级之间跃迁, 但由于一开始处在下能级的核比在上能级的核要多,因此净效果是上跃迁的比下跃迁的多,从而使系统的总能量增加,这相当于系统从射频场中吸收了能量要发生共振必须满足 ,
由此可知,为了实现核磁共振有两种实验方法:
扫频法:固定外磁场B0,调节高频电磁场频率ν,实现核磁共振。
扫场法:固定高频电磁场频率ν,调节外磁场B0,实现核磁共振。此为本实验用的是第二种实验方法,即扫场法。
在本实验要测的一个物理量是氢质子的γ因子,由公式(6)可知,只要知道B0,ν即可求得γ,B0在实验设备中已标定(如0.55T)很难固定在这一值上。实际上等式(3) 在实验中很难成立。
为实现核磁共振,可在永磁铁B0上叠加一个低频交变磁场BmSinωt,即所谓的扫场(ω为市电频率50HZ,远低于高频场的频率
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