核磁共振实验报告及数据

核磁共振实验报告及数据 核磁共振实验报告及数据 2011年04月20日 核磁共振 1了解核磁共振的基本原理 教 学 目 的 2学习利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法 3理解驰豫过程并计算出驰豫时间。 重 难 点 1核磁共振的基本原理 2磁场强度和驰豫时间的计算。 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。 学 时 3个学时 一、前言 核磁共振是重要的物理现象。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。 自旋角动量P不为零的原子核具有相应的磁距μ而且 其中 称为原子核的旋磁比是表征原子核的重要物理量之一。当存在外磁场B时核磁矩和外磁场的相互作用使磁能级发生塞曼分裂相邻能级的能量差为 其中hh/2πh为普朗克常数。如果在与B垂直的平面内加一个频率为ν的射频场当 时就发生共振现象。通常称y/2π为原子核的回旋频率一些核素的回旋频率数值见附录。 核磁共振实验是理科高等学校近代物理实验课程中的必做实验之一如今许多理科院校的非物理类专业和许多工科、医学院校的基础物理实验课程也安排了核磁共振实验或演示实验。 利用本装置和用户自备的通用示波器可以用扫场的方式观察核磁共振现象并测量共振频率适合于高等学校近代物理实验基础实验教学使用。 二、实验仪器 永久磁铁含扫场线圈、可调变阻器、探头两个样品分别为、和 、数字频率计、示波器。 三、实

验原理 一核磁共振的稳态吸收 核磁共振是重要的物理现象核磁共振实验技术在物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油分析勘探等许多领域得到重要应用。1945年发现核磁共振现象的美国科学家Purcell和Bloch1952年获诺贝尔物理学奖。在改进核磁共振技术方面作出重要贡献的瑞士科学家Ernst1991年获得诺贝尔化学奖。 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通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 其中I称为自旋量子数只能取0123?6?7等整数值或1/23/25/2?6?7等半整数值公式中的 h/2π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质子和氟核F19的自旋量子数I都等于1/2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Pzm 。其中量子数m只能取II-1?6?7-II-I等2I1个数值。 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其大小为 1 其中e为质子的电荷M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g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动量方向相同也可能相反。 由于核自旋角动量在任意给定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。 2 原子核的磁

矩通常用μNeh/2M作为单位μN称为核磁子采用μN作为核磁矩的单位后μZ可记住μZ gmμN与角动量本身的大小为 相对应核磁矩本身的大小为 g μN除了用g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定义原子核的磁矩与自旋角动量之比 3 利用γ我们可写成μγp相应地有μzγpz 。 当不存在磁场时每一个原子核的能量相同所有原子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 E-μ·B-μzB-γpzB-γm B 4 因此量子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间隔△Eγ B全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中的a和b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 其数量由△E大小、系统的温度和系统总粒子数决定这时若在与B垂直的方向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hν△E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。 a B0 bB 0 图1 我们把hv△E时引起的上述跃迁称为共振跃迁简