核磁共振核磁共振

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1、核 磁 共 振核 磁 共 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 实验设备实验原理实验要求和步骤基本原理自旋不为零的粒子,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:（1）其中：为粒子的旋磁比，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给粒子加上一个高频电磁场， 该电磁场的频率为，能量为:（2）当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差E时即：（3）低能极上的粒子就要吸收高频电磁场

2、的能量产生跃迁，即所谓的磁 共振。实验设备样品（sample）水：提供实验 用的粒子，氢（1H）核。 永磁铁：提供稳恒外磁场,中 心磁感应强度B0约为0.55T。 边限振荡器：产生射频场,提 供一个垂直与稳恒外磁场的高频电 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。 绕在永磁铁外的磁感应线圈： 其提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50周的扫场电压。 频率计：读取射频场的频率。 示波器：观察共振信号。图一实验原理 由公式（3）可知，为了实现核磁共振有两种实验方法： 1、固定外磁场B0，调节高频电磁场频率，实现核磁共

3、振 ，此为扫频法。 2、固定高频电磁场频率，调节外磁场B0，实现核磁共振 ，此为扫场法。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因子，由公式（3）可知， 只要知道B0，即可求得，B0在实验设备中已标定（如0.55T） ，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 用的高频振荡器其频率只能稳定在103HZ量级。其能量很难固定 在 这一值上。实际上等式(3) 在实验中很难成立。为实现核磁共振，可在永磁铁B0上叠加一个低频交变磁场BmSint， 即所谓的扫场（为市电频率50HZ，远低于高频场的频率其

4、约实验原理几十MHZ），使氢质子两能级能量差 h（B0+BmSin100t）有一 个连续变化的范围。我们调节射频场的频率，使射频场的能量进 入 这个范围，这样在某一时刻等式 = （B0+BmSin100t ）总能成立。（见图二） 图二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 图二）由上图可见，当共振信号非等间距时，共振点处的等式为 = （B0+BmSin100t），BmSin100t未知。无法利用该等式求出值 。 调节射频场的频率使共振信号等间距，共振点处100t=n, BmSin100t=0， 此时的为共振信号等间距时的频率， 由频率计读出。=2/B0，值可求。（

5、见图三）图三实验原理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。实验要求和步骤 1、观察1H (样品水)的核磁共振信号：（记9组数据和 图形）a、将边限振荡器的“检波输出”接示波器的“CH1” 端，置示波器的“方式”为CH1。 b、将边限振荡器的“频率测试”端接多功能计数器的 “输入A”。 c、将边限震荡器盒上的样品小心地从永

6、磁铁上的插槽 放入永磁铁中。（注意不要碰掉样品的铜皮） d、将调压变压器插头接入220V市电插座，输出设为 100V。 e、打开边限振荡器电源开关，调节“频率调节”旋钮 ，使示波器上出现共振信号。 f、调节调压变压器使其输出为50-100V中的某一值, 保持该值不变，记下该值，调节边限振荡器的“频率调节”旋钮， 观察示波器上共振波形的变化，任选三个不同的波形画下，记下相 应的边限振荡器频率（由频率计读出，计小数点后三位）。 g、调节“频率调节”旋钮，将共振信号调成不等间距 ，保持频率不变（如频率不稳定可每次调回到该频率值）， 记下该频率值。h、改变调压器的输出电压VV), 观察示波器上共振信号

7、 的变化，任选三个不同的电压，画下相应波形，记下相应的V值 。 i、将共振信号调成等间距, 保持该频率不变, 记下该 频率值。改变调压器的输出电压VV), 选三个不同的电压V画下 相应波形，记下相应的V值。j、对以上共振信号波形随V，变化的原因进行讨论。 2、测量H的因子和g因子： a、将样品放入永磁铁的磁场最强处（可左右移动边限振荡 器铁盒，观察示波器上共振信号波形，当幅值最强波形尾波最 多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边所对标尺的刻度值 。 b、置示波器扫描时间为5ms/div,调节边线振荡器的“频率 调节”旋钮使共振信号等间距（间隔为10ms）。 c、读频率计，记下此时的频率值。 d、将信号调离等间距重复以上b-c步骤（此步骤进行六次 ，求频率的平均值）。 e、记下永磁铁上的磁感应强度B0值。 f、由公式计算g和因子。3、测量19F的因子和g因子：a、将样品换成F，并放在磁场最强处（放在上次记下的标尺 刻度值处）。b、重复第2项b-f各步骤。4、改变样品在磁场中的位置，测出对应位置的磁感应强 度B0：a、把样品水放入磁场中，向右（左）移使其偏离中心位置, 记下刻度值。b、使波形等间距，记下此时的频率值。c、改变三个不同位置，重复b。