实验核磁共振实验.pdf
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1、核磁共振实验讲义 实验目的:1了解核磁共振的基本原理,包括:对核自旋、在外磁场中的能级分裂、受激跃迁的基本概念的理解,同时对实验的基本现象有一定认识.2学习利用核磁共振校准磁场和测量因子 g 的方法:了解实验设备的基本结构,掌握利用扫场法创造核磁共振条件的方法,学会利用示波器观察共振吸收信号。实验简介:自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩.如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中,粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂,分裂后两能级间的能量差为 E=hB0 (1)其中:为旋磁比,h 为约化普朗可常数,B0为稳恒外磁场.如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场,该电磁
2、场的能量为 E=h (2)其中:为交变电磁场的频率。当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时,即:h=h B0 (3)2=B0 (4)低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁,即所谓的磁共振。实验设备 a)样品:提供实验用的粒子。b)永磁铁:提供稳恒外磁场,中心磁感应强度 B 约为 Bo(实验待求)。c)边限振荡器:产生射频场,提供一个垂直与稳恒外磁场的交变磁场,频率.同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器,边限振荡器的频率由频率计读出。d)绕在永铁外的磁感应线圈:其提供一个叠加在永磁铁上的扫场。e)调压变压器:为磁感应线圈提供 50Hz 的扫场电压.f)频率计:读取射频场的频率.
3、g)示波器:观察共振信号.探测装置的工作原理:图一中绕在样品上的线圈是边限震荡器电路的一部分,在非磁共振状态下它处在边限震荡状态(即似振非振的状态),并把电磁能加在样品上,方向与外磁场垂直。当磁共振发生时,样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电路的 Q 值发生变化,振荡电路产生显著的振荡,在示波器上产生共振信号.实验原理:在微观世界中物理量只能取分立数值的现象很普遍。一般来说原子核自旋角动量也不能连续变化,只能取分立值即:其中 I 称为自旋量子数,只能取 0,1,2,3,等整数值或 1/2,3/2,5/2,等半整数值)1I(Ip右图是在外磁场 B0中塞曼分裂图(半数以上的原子核具有自旋,
4、旋转时产生一小磁场.当加一外磁场,这些原子核的能级将分裂,即塞曼效应。)本实验涉及的质子和氟核 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 方向的分量不能连续变化,只能取分立的数值mp 其中量子数 m 只能取 I,I-1,-I+1,I 等(2I+1)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,简称核磁矩(magnetic moment)。其大小为 P2Meg 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 成为原子核的 g 因子。由于核自旋角动量在任意给定的 z
5、方向的投影只可能取(2I+1)个分立的数值,因此核磁矩在 z 方向上的投影也只能取(2I+1)个分立的数值:2Megp2Megmzz 原子核的磁矩的单位为:2MeN mN 称为核磁子。采用 mN 作为核磁矩的单位以后,mz 可记为 mz=gmmN.而核磁矩与角动量本身的大小相对应即:角动量为:)1I(I 核磁矩为:NIIg)1(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 g,g 定义为原子核的磁矩与自旋角动量之比:Mgep2利用 g 我们可写成=gp,相应地有z=gpz。当不存在外磁场时,原子核的能量不会因处于不同的自旋状态而不同但是,当施加一个外磁场 B 后,情况
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