实验2 核磁共振.doc

1 实验二 核磁共振 0 前言 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象。样品在磁场中磁场使核能级因核自旋不同的取向而分裂在数千咚勾懦∠潞四芗兜牧丫嘁话阍谏淦挡ǘ畏⑸渖淦档绱挪ǖ绱挪ǖ哪芰勘涣Ｗ游沾佣四芗兜脑厩ā?932年发现中子后才认识到核自旋是质子自旋和中子自旋之和质子和中子都是自旋角动量为2的费米子只有质子数和中子数两者或其一为奇数时核才有非零的核磁矩正是这种磁性核才能产生核磁共振。Rabi由于观察高真空中氢分子束的核磁共振现象获得1944年诺贝尔物理学奖。Purcell用共振感应法研究室温下水的核磁共振并测的氢核H1质子 旋磁比值同Rabi利用分子束法测量结果一样和Bloch用共振吸收法在石蜡固态碳氢化合物观察到氢核H1质子的核磁共振现象并测的氢核H1质子的磁矩共同获得1952年诺贝尔物理学奖。R.R.Ernst发展二维NMR的方法并在化学、生物、医学上的广泛应用获得1991年诺贝尔化学奖。K.Wüthrich用NMR测定溶液中蛋白质结构获得2002年诺贝尔化学奖。P. Lauterbur和P.Mansfield在核磁共振成象方面研究工作在医用诊断、功能成像、活体波谱、显微成像广泛应用共同获得2003年医学/生理学奖。核磁共振信号可提供物质结构的丰富信息如谱线的宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场刻度上的准确位置、谱线的精细结构、超精细结构、弛豫时间等加之是对样品的无损测量广泛应用分子结构的确定、液相和固相的动力学研究、医用诊断、固体物理学、分析化学、分子生物学等领域是确定物质结构、组成和性质的重要实验方法。核磁共振方法还是磁场测量和校准磁强计的标准方法之一其不确定度可达001.0。 1 实验目的 1掌握核磁共振的实验原理和方法。 2用核磁共振方法校准磁场B测量氟核的Fg因子以及横向驰豫时间2T。 2 实验原理 大家知道氢原子中电子的能量不能连续变化只能取分立的数值在微观世界中物理量只能取分立数值的现象很普遍本实验涉及到的原子核自旋角动量也不能连续变化只能取分立值1IIp其中I称为自旋量子数只能取0l23??等整数值或l/23/25/2??等半整数值公式中的2h而h为普朗克常数对不同的核素I分别有不同的确定数值本实验涉及水的质子H1和氟核F19的自旋量子数I都等于l/2类似地原子核的自旋角动量在空间某一方向例如z方向的分量也不能连续变化只能取分立的数值mpz其中磁量子数m只能取II-1??-I1-I等2I1个数值。 2 自旋角动量不为零的原子核具有与之相联系的核自旋磁矩简称核磁矩其大小为 pmegp2 ----------------------------------------------------------------------- 2—1 其中e为质子的电荷pm为质子的质量g是一个由原子核结构决定的因子对不同种类的原子核g的数值不同g称为原子核的朗德因子值得注意的是g可能是正数也可能是负数因此核磁矩的方向可能与核自旋角动量方向相同也可能相反。 由于核自旋角动量在任意给定的z方向只能取2I1个分立的数值因此核磁矩在z方向也只能取2I1个分立的数值 pzpzmegmpmeg22Ngm ------------------------------------------- 2—2 原子核的磁矩通常用PNme2/作为单位N称为核磁子采用N作为核磁矩的单位以后z可记为Nzmg与角动量本身的大小为1II相对应核磁矩本身的大小为NIIg1除了g用因子表征核的磁性质外通常引入另一个可以由实验测量的物理量γγ定义为原子核的磁矩与自旋角动量之比 pmegp2 ---------------------------------------------------------------------------- 2—3 利用我们可写成p相应地有zzp。 当不存在外磁场时每一个原子核的能量都相同所??原子核处在同一能级但是当施加一个外磁场B后情况发生变化为了方便起见通常把B的方向规定为z方向由于外磁场B与磁矩的相互作用能为 BmBpBBEzz ----------------------------------------------- 2—4 因此量子数m取值不同的核磁矩的能量也就不同从而原来简并的同一能级分裂为2I1个子能级由于在外磁场中各个子能级的能量与量子数m有关因此量子数m又称为磁量子数。这些不同子能级的能量虽然不同但相邻能级之间的能量间隔BE却是一样的而且对于质子而言I1/2因此m只能取m1/2和m-1/2两个数值施加磁场前后的能级分别如图-1所示 当施加外磁场B以后原子核在不同能级上的分布服从玻尔兹曼分布显然处在下能级的粒子数要比上能级的多其差数由ΔE大小、系统的温度和系统的总