核磁共振核磁共振.ppt
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1、核核 磁磁 共共 振振核核 磁磁 共共 振振 核磁共振是指原子核在静电场中的作用下对固定频率的射频电磁波核磁共振是指原子核在静电场中的作用下对固定频率的射频电磁波进行吸收的现象。核磁共振广泛应用于化学、生物、医学领域。进行吸收的现象。核磁共振广泛应用于化学、生物、医学领域。基本原理基本原理 实验设备实验设备实验原理实验原理实验要求和步骤实验要求和步骤基本原理基本原理 自旋不为零的粒子自旋不为零的粒子,如电子和质子如电子和质子,具有自旋磁矩。如果我们把这样的具有自旋磁矩。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粒子放入稳恒的外磁场中,粒子的磁矩就会和外磁场相互
2、作用使粒子的能级产生分裂,分裂后两能级间的能量差为的能级产生分裂,分裂后两能级间的能量差为:(1 1)其中:其中:为粒子的旋磁比,为约化普朗可常数,为粒子的旋磁比,为约化普朗可常数,B0B0为稳恒外磁场。为稳恒外磁场。如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场,该如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场,该电磁场的频率为电磁场的频率为,能量为,能量为:(2 2)当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差EE时即:时即:(3 3)低能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁,即所谓的磁共低能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃
3、迁,即所谓的磁共振。振。实验设备实验设备样品(样品(samplesample)水:提供实验用的)水:提供实验用的粒子,氢(粒子,氢(1 1H H)核。)核。永磁铁:提供稳恒外磁场永磁铁:提供稳恒外磁场,中心磁中心磁感应强度感应强度B0B0约为约为0.55T0.55T。边限振荡器:产生射频场边限振荡器:产生射频场,提供一提供一个垂直与稳恒外磁场的高频电磁场,个垂直与稳恒外磁场的高频电磁场,频率。频率。同时也将探测到的共振电信号放大同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器,边限振荡器的频后输出到示波器,边限振荡器的频率由频率计读出。率由频率计读出。绕在永磁铁外的磁感应线圈:其提绕在永磁铁外的磁
4、感应线圈:其提供一个叠加在永磁铁上的扫场。供一个叠加在永磁铁上的扫场。调压变压器:为磁感应线圈提供调压变压器:为磁感应线圈提供5050周的扫场电压。周的扫场电压。频率计:读取射频场的频率。频率计:读取射频场的频率。示波器:观察共振信号。示波器:观察共振信号。图一图一实验原理实验原理 由公式(由公式(3 3)可知,为了实现核磁共振有两种实验方法:)可知,为了实现核磁共振有两种实验方法:1 1、固定外磁场、固定外磁场B B0 0,调节高频电磁场频率,调节高频电磁场频率,实现核磁共振,此为扫,实现核磁共振,此为扫频法。频法。2 2、固定高频电磁场频率、固定高频电磁场频率,调节外磁场,调节外磁场B B
5、0 0,实现核磁共振,此为扫,实现核磁共振,此为扫场法。场法。本实验用的是第二种实验方法,即扫场法。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在本实验要测的一个物理量是氢质子的因子,由公式(因子,由公式(3 3)可知,只)可知,只要知道要知道B B0 0,即可求得即可求得,B B0 0在实验设备中已标定(如在实验设备中已标定(如0.55T0.55T),),可由频率计测出。但是仅此,在本实验中可由频率计测出。但是仅此,在本实验中是无法用实验求出的。因是无法用实验求出的。因为本实验中两能级的能量差是一个精确,稳定的量。而实验用的高频为本实验中两能级的能量差是一个精确,
6、稳定的量。而实验用的高频振荡器其频率振荡器其频率只能稳定在只能稳定在103HZ103HZ量级。其能量很难固定在量级。其能量很难固定在 这一这一值上。实际上等式值上。实际上等式(3)(3)在实验中很难成立。在实验中很难成立。为实现核磁共振,可在永磁铁为实现核磁共振,可在永磁铁B B0 0上叠加一个低频交变磁场上叠加一个低频交变磁场B BmmSintSint,即,即所谓的扫场(所谓的扫场(为市电频率为市电频率50HZ50HZ,远低于高频场的频率,远低于高频场的频率其约其约实验原理实验原理 几十几十MHZMHZ),使氢质子两能级能量差),使氢质子两能级能量差 hh(B B0 0+B+BmmSin10
7、0tSin100t)有一个)有一个连续变化的范围。我们调节射频场的频率连续变化的范围。我们调节射频场的频率,使射频场的能量进入,使射频场的能量进入 这个范围,这样在某一时刻等式这个范围,这样在某一时刻等式 =(B B0 0+B+BmmSin100tSin100t)总能)总能成立。(见图二)成立。(见图二)图二图二实验原理实验原理此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号。(见图此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号。(见图二)二)由上图可见,当共振信号非等间距时,共振点处的等式为由上图可见,当共振信号非等间距时,共振点处的等式为 =(B B0 0+B+BmmSin1
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