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1、核 磁 共 振,近代物理实验35,背景知识,核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由于其可深入物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用 ，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科 ，在科研和生产中发挥了巨大作用 。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。,实验目的,1、了解核磁共振的基本实验原理； 2、学习利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法。,实验装置,实验原理,(一
2、)H核带一个正电荷，它可以像电子那样自旋而产生磁矩。在外加磁场B中，质子自旋所产生的磁矩有两种取向： 与B同向或反向，对应于或两个自旋态。,如果与相垂直的射频交变场的频率为，那么电磁场的能量子为h,若选取满足 ，就会引起核能态在两个次能级间的跃迁，即有： 这就是核磁共振的频率条件 。,(二)磁矩在磁场中的运动 现在我们用经典力学来描述核磁共振。如前所述，原子核有角动量 磁矩 且 。如原子核处在外磁场B中，则受到力矩 的作用，由 经典理论可知： 上式是微观磁矩在外磁场中的运动方程。,如外磁场为B， 式（16）则可表示为： 其解为:,由此可知，在外磁场作用下，总磁矩绕B进动， 保持 常数， 在XY
3、平面上的投影为一转动的矢量，转动角频率 为 ，这就是拉莫尔频率。核磁矩在外磁场中的运动如下图所示。,（三）布洛赫方程和NMR的纵向弛豫和横向弛豫 1、纵向弛豫 在射频场不起作用的情况下，核自旋系统将与周围别的粒子的热运动交换能量而重新达到热平衡状态，高能级粒子将能量交给热运动（不以辐射形式交给射频场）而回到低能级，我们称之为自旋-晶格弛豫过程，或称纵向弛豫。纵向弛豫的结果将使高低能级间的粒子数差额按指数规律趋向于热平衡时的差额，这个指数变化过程的时间常数用T1表示，称为自旋-晶格弛豫时间，它反映了沿外磁场方向上整个样品的磁矩恢复到平衡时的大小。Mz的热平衡值就是M0，所以从Mz M0的变化规律
4、可以表示为：,2、横向弛豫 还有另一种弛豫过程，它是自旋粒子与临近自旋粒子的相互作用、交换能量的过程，即磁化强度矢量M在xy平面内Mx、My分量趋向于平衡状态的过程，即Mx、My趋于零的过程，也即微观磁矩在图示锥面上趋于无规则的均匀分布过程，它不引起样品总能量的变化，这种过程称为自旋-自旋弛豫，或称横向弛豫，其时间常数由T2表示：,3、布洛赫方程 前面分析了外磁场和弛豫过程对核磁化强度矢量M的作用，当上述两种情况同时存在时，描述核磁共振现象的基本运动方程为： 该式即为布洛赫方程，其分量形式为： 在各种情况下解上述方程式，可以解释各种核磁共振现象。,4、宏观磁矩在磁场中的旋转,实验内容,1、精确
5、测量磁场 把样品为水的探头置于磁场中，将样品盒上的“频率输出”和“检波输出”分别与频率计和示波器连接。开启频率计、示波器和探头的开关，这时频率计上应有读数显示。通过调压器接入50Hz交变扫场，缓慢地调节边缘振荡器的频率调节旋钮，监视示波器，搜索共振信号。,42.577496 MHz/T，则被测磁场强度为：式中 为射频场频率。左为图共振吸收信号产生示意图,2、F的三个重要物理量的测量已知质子的 后，可精确地求出了磁场强度B0 。 得到B0后，可通过测量未知原子核的共振频率 ,便可求出原子核的 值、g因子及核磁矩 。,这三个物理量的测量分别以下面的式子表示 其中 是19F的磁量子数； 和 分别为H核和 F核的旋磁比； 和 分别为H和F在同一磁场下的共振频 率。,思考题,1、在示波器上看到共振吸收信号之后，如改变激磁电流，共振信号会在示波器上左右移动，为什么？如用永久磁铁做外磁场，会不会有相同的情形？ 2、磁场调制幅度的大小对测量精度和测量误差有何影响？,
