核磁共振试验-复旦大学物理教学试验中心.DOC

复旦大学 近代物理实验书面报告 核磁共振实验 姓名：徐俊寅 学号：0572435 专业：光信息科学与技术 2007年12月30日 摘要：运用磁场扫描法观察核磁共振现象，研究核和核自旋系统的一些基本性质。 关键词：核磁共振、磁场、自旋 引言 核磁共振实验要求我们运用磁场扫描法观察核磁共振现象，进而研究核和核自旋系统的一些基本性质。在我做的实验内容中，要求了解顺磁质对于共振的影响，并用内扫法与移相法去侧弛豫时间，比较两种方法的优劣。最后测量HF中H和F的共振信号以及甘油与蛋清中的H共振信号。然后进行大胆设想，根据核磁共振实验来测磁场。 核磁共振实验原理与装置 既然是核磁共振实验，那么什么才是核磁共振现象？在哪一些物质中可以有核磁共振现象呢？实验中又是怎样观察核磁共振的？ 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。只要质子数和中子数两者或其一为奇数时，这种物质的核有非零的核磁矩，正是这种磁性核能产生核磁共振。本实验的重点是用磁场扫描法观察核磁共振现象；由共振条件直接测定氢核和氟核的g因子、旋磁比r及核磁矩μ；分别用内扫法和移相法由谱峰半高宽来估算横向驰豫时间t2等等。 当电磁波的能量（hv）等于样品某种能级差E时，分子可以吸收能量，由低能态跃迁到高能态。高能态的粒子可以通过自发辐射放出能量，回到低能量，其几率与两能级能量差E成正比。一般的吸收光谱，E较大，自发辐射相当有效，能维持Boltzmann分布。但在核磁共振波谱中，E非常小，自发辐射的几率几乎为零。想要维持NMR信号的检测，必须要有某种过程，这个过程就是弛豫过程。即高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态，重建Boltzmann分布的过程。根据Boltzmann分布，低能态的核（N+）与高能态的核（N-）关系可以用Boltzmann因子来表示：N+/ N- = eE/KT ≈1 + ΔE/KT，ΔE 为两能级的能量差，K为Boltzmann常数，T为绝对温度。对于1H核，当T = 300K时，N+/ N-≈1.000009。对于其它核,γ值较小，比值会更小。因此在NMR中，若无有效的弛豫过程，饱和过程容易发生。 有两种弛豫过程即，自旋-晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋-晶格弛豫时间是指体系通过自旋-晶格弛豫过程而达到自旋核在B0场中自旋取向的Boltzmann分布所需的特征时间（半衰期），用T1表示；自旋-自旋弛豫反映核磁矩之间的作用，高能态的自旋核把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋态的核数目不变，总能量不变。自旋-自旋弛豫时间（半衰期）用T2表示，液体样品T2约为1秒，固体或高分子样品T2较小，约10-3秒。 共振时，自旋核受射频场的相位相干作用，使宏观净磁化强度偏离z轴，从而在X-Y平面上非均匀分布。自旋-自旋弛豫过程是通过自旋交换，使偏离Z轴的净磁化强度MXY回到原来的平衡零值态（即在X-Y平面上均匀分布）。故自旋-自旋弛豫又称横向弛豫。 实验中采用的是连续波核磁共振波谱仪实验装置。主要由电磁铁、探头、射频边限振荡器及显示记录仪器等四部分组成。电磁铁电源接在电磁铁的主线圈上，提供样品磁能级塞曼分裂ΔE所需的直流磁场。探头由单一振荡线圈、样品管及调场线圈等组成。射频振荡器因处于振荡与不振荡的边缘状态，故称为边限振荡器。样品置于振荡线圈内，因此它为样品提供了核磁共振所需要的与直流磁场相垂直的射频磁场。实验中通过缓慢改变直流磁场（扫场法）或改变射频频率（扫频法）来满足共振条件，以产生核磁共振。为改善共振信号的信噪比，常采用调场和调频两种调制技术。 核磁共振谱仪对边限振荡器的要求：有尽可能小的振荡幅度和良好的信噪比，前者限制样品仅从射频场吸收足以产生共振所需要的微弱能量，也有效地避免了信号饱和；后者则有利于提高谱仪的灵敏度和分辨率。本实验中的振荡幅度是通过改变场效应管的漏源电流来调节的，振荡频率则通过调节变容管的偏压来改变。振荡线圈被绕制在特制的空心骨架上，其内可插入样品管。实验中必须仔细调节边限振荡器的工作状态、样品位置、磁场以及调制磁场，才可获得灵敏度较高、分辨率较好的稳定的共振吸收信号。在尝试观察样品的化学位移时，更需要特别耐心，否则共振信号会一闪而过。 实验步骤 1．测磁场。先用高斯计估测磁场中心，估计fh的大小。再把水溶液样品（CUSO4）及线圈固定在探测杆前端，缓缓放入磁体的极隙中央，不要与磁铁相碰。打开频率计和示波器电源，启动电源箱上的“电源”开关和“扫场电源”开关。一定要缓慢旋转“频率调节”旋钮，仔细有哪些信誉好的足球投注网站共振信号。由１Ｈ的gH因子及，根据公式，分别测量永磁铁磁场中心，前１cm，后1cm的磁场。一定要共振信号等间隔且至少要有三个以上的峰时才测，并分析磁场的均匀度，比较与大小。（已知gH=5.58569,,） 2. 用两