实验 核磁共振实验.pdf
核磁共振实验讲义核磁共振实验讲义实验目的：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：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，该电磁场的能量为E=h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 B02 = B0（3）（4）（2）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。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：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p I(I1) 右图是在外磁场 B B0中塞曼分裂图（半数以上的原子核具有自旋，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p m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 geP2M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 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：z g原子核的磁矩的单位为：eepz gm2M2MNe2MmN 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：I(I1)核磁矩为：g I(I 1)N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：pge利用 g我们可写成=gp，相应地有z = gpz。2M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 B zB PzB mB核磁矩在加入外场 B 后，具有了一个正比于外场的频率，量子数 m 取值不同，则核磁矩的能量也就不同。原来简并的同一能级分裂为(2I+1)个子能级。不同子能级的能量虽然不同，但相邻能级之间的能量间隔 却是一样的即E B而且，对于质子而言，I=1/2，因此，m 只能取 m=12 和 m= -1/2 两个数值。简并能级在磁场中分开。其中的低能级状态，对应 E1= mB，与场方向一致的自旋，而高的状态对应于E2= - mB，与场方向相反的自旋。当核自旋能级在外磁场 B 作用下产生分裂以后，原子核在不同能级上的分布服从玻尔兹曼分布。若在与 B垂直的方向上再施加一个高频电磁场（射频场） ，且射频场的频率满足一定条件时,会引起原子核在上下能级之间跃迁。这种现象称为共振跃迁（简称共振） 。发生共振时射频场需要满足的条件称为共振条件B2如果用圆频率=2 表示，共振条件可写成B通过测量质子在磁场 B 中的共振频率 H可实现对磁场的校准，即B H2反之，若 B 已经校准，通过测量未知原子核的共振频率 便可求出待测原子核的值(通常用/2值表征)或 g 因子。观察共振现象通常有两种方法：本实验采用的是扫场法，幅度为几个高斯具体的图像说明如下：在永磁铁 B0上叠加一个低频交变磁场BmSint （ 为市电频率 50HZ， 远低于射频场的频率， 约几十 MHZ） ，使氢质子两能级能量差的值 h（B0+BmSint）有一个变化的区域。我们调节射频场的频率，使射频场的能量h 进入这个区域，这样在某一瞬间等式h =h（B0+BmSint）总能成立。 （见下图）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由上图可见，当共振信号非等间距时，共振点处h=h（B0+BmSint） ，BmSint 非零。调节射频场的频率 使共振信号等间距，共振点处 t=n，BmSint=0， h=hB0实验要求和步骤：实验要求和步骤：观察硫酸铜溶液的核磁共振信号：（1） 连 接1）将硫酸铜样品放入探头中， 并把探头的一端与边限振荡器的接头相连， 另一端置于磁铁间隙的中间位置；2） 用航空线把扫描电源背后的航空接头与边限振荡器的电源接头相连；3） 扫描电源的“扫描输出”两端与磁铁面板上的任一组线圈接线柱相连；4） “ X 输出”两端经插片线接至示波器的X 通道；5）用将边限振荡器的“共振频率”输出端与频率计相连；6）用线将边限振荡器的“共振信号”输出与示波器的Y 通道相连。（2） 观 测1）调节扫描电源上的“扫描幅度” 旋钮及边限振荡器上的“幅度调节” 旋钮，再调节边限振荡器上的粗调旋钮到磁铁面板示值附近，然后调节细调旋钮得到等宽、最强、尾波最多的共振信号,记下频率、电压及示波器参数，并描画信号波形，如下图所示（参考） ：2）按下示波器上的 TIME(x - y)按钮，并调节扫描电源上的x 轴相位与 x 轴幅度旋钮，以观察李萨如图形，如图 2 所示（参考） ：实验数据处理实验数据处理实验条件：样品磁感应强度示波器参数数据记录（其中U为射频场幅度，f为频率）：扫描电压扫描时间硫酸铜样品U/Vf/MHz计算与 g1234附录1：核磁共振的应用：核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（ 2D） 、三维（ 3D）甚至四维（ 4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。2：掺有三氯化铁的水样品的共振信号和聚四氟乙烯的共振信号的比较：掺有三氯化铁的水样品的共振信号聚四氟乙烯的共振信号
