磁共振實驗報告

1、近代物理實驗題目 磁共振技術(shù) 學(xué)院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班級 物理082班 學(xué)號 08220204 姓名 同組實驗者 指導(dǎo)教師 光磁共振實驗報告【摘要】本次實驗在了解如光抽運(yùn)原理，弛豫過程、塞曼分裂等基本知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行操作，從而觀察到光抽運(yùn)信號，并順利測量g因子?！娟P(guān)鍵詞】光磁共振 光抽運(yùn)效應(yīng) 塞曼能級分裂 超精細(xì)結(jié)構(gòu) 【引言】光磁共振實際上是使原子、分子的光學(xué)頻率的共振與射頻或微波頻率的磁共振同時發(fā)生的一種雙共振現(xiàn)象。這種方法是卡斯特勒在巴黎提出并實現(xiàn)的。由于這種方法最早實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，成了發(fā)明激光器的先導(dǎo)，所以卡斯特勒被人們譽(yù)為“激光之父”。光磁共振方法現(xiàn)已發(fā)展成為研究原子物理

2、的一種重要的實驗方法。它大大地豐富了我們對原子能級精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)、能級壽命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子與原子間以及原子與其它物質(zhì)間相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成測量微弱磁場的磁強(qiáng)計，也可以制成高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)。【正文】一、基本知識1、銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)能級結(jié)構(gòu)及塞曼分裂本實驗的研究對象為銣原子，天然銣有兩種同位素；85Rb（占7215%）和87Rb（占2785%）選用天然銣作樣品，既可避免使用昂貴的單一同位素，又可在一個樣品上觀察到兩種原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級躍遷的磁共振信號銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級結(jié)構(gòu)如圖1所示在磁場中，銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級產(chǎn)生

3、塞曼分裂標(biāo)定這些分裂能級的磁量子數(shù)mF=F，F(xiàn)1，F(xiàn)，因而一個超精細(xì)能級分裂為2F1個塞曼子能級 設(shè)原子的總角動量所對應(yīng)的原子總磁矩為F，F(xiàn)與外磁場B0相互作用的能量為EFB0gF mF F B0 （1）這正是超精細(xì)塞曼子能級的能量式中玻爾磁子B927411024JT1 ，朗德因子gF= gJ F(F+1)+J(J+1)I（I1） 2F（F1） （2）圖1 其中g(shù)J= 1+J(J+1)L(L+1)+S（S1） 2J（J1） （3）上面兩個式子是由量子理論導(dǎo)出的，把相應(yīng)的量子數(shù)代入很容易求得具體數(shù)值由式（1）可知，相鄰塞曼子能級之間的能量差EgF B B0 （4）式中E與B0成正比關(guān)系，在弱磁場

4、B00，則塞曼子能級簡并為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級2、光抽運(yùn)效應(yīng) 在熱平衡狀態(tài)下，各能級的粒子數(shù)遵從玻耳茲曼分布，其分布規(guī)律由式(2)表示由于超精細(xì)塞曼子能級間的能量差E很小，可近似地認(rèn)為這些子能級上的粒子數(shù)是相等的這就很不利于觀測這些子能級之間的磁共振現(xiàn)象為此，卡斯特勒提出光抽運(yùn)方法，即用圓偏振光激發(fā)原子使原子能級的粒子數(shù)分布產(chǎn)生重大改變由于光波中磁場對電子的作用遠(yuǎn)小于電場對電子的作用，故光對原子的激發(fā)，可看作是光波的電場分布起作用設(shè)偏振光的傳播方向跟產(chǎn)生塞曼分裂的磁場B0的方向相同，則左旋圓偏振的光的電場E繞光傳播方向作右手螺旋轉(zhuǎn)動，其角動量為；右旋圓偏振的光的電場E繞光傳播方向作左手螺旋轉(zhuǎn)動，其角

5、動量為；線偏振的光可看作兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光的疊加，其角動量為零現(xiàn)在以銣燈作光源由圖1可見，銣原子由5 2P125 2S12的躍遷產(chǎn)生D1線，波長為0.7948m；由5 2P325 2S12的躍遷產(chǎn)生D2線，波長為0.7800m這兩條譜線在銣燈光譜中特別強(qiáng)，用它們?nèi)ゼぐl(fā)銣原子時，銣原子將會吸收它們的能量而引起相反方向的躍遷過程然而，頻率一定而角動量不同的光所引起的塞曼子能級的躍遷是不同的，由理論推導(dǎo)可得躍遷的選擇定則為L1 ， F0，1， mF1 （5）圖2所以，當(dāng)入射光為D1光，作用87Rb時，由于87Rb的5 2S12態(tài)和5 2P12態(tài)的磁量子數(shù)mF的最大值均為2，而光角動量為只能引

6、起mF1的躍遷，故D1光只能把基態(tài)中除mF2以外各子能級上的原子激發(fā)到5 2P12的相應(yīng)子能級上，如圖2(a)所示 圖2(b)表示躍遷到5 2P1/2上的原子經(jīng)過大約108s后，通過自發(fā)輻射以及無輻射躍遷兩種過程，以相等概率回到基態(tài)5 2S12各個子能級上這樣，經(jīng)過多次循環(huán)之后，基態(tài)mF2子能級上的粒子數(shù)就會大大增加，即基態(tài)其他能級上大量的粒子被“抽運(yùn)”到基態(tài)mF2子能級上這就是光抽運(yùn)效應(yīng) 同理，如果用D1光照射，則大量粒子將被“抽運(yùn)”到mF2子能級上但是，光照射是不可能發(fā)生光抽運(yùn)效應(yīng)的 對于銣85Rb，若用D1光照射，粒子將會“抽運(yùn)”到mF3子能級上3、弛豫過程 光抽運(yùn)使得原子系統(tǒng)能級分布偏

7、極化而處于非平衡狀態(tài)時，將全通過弛緣過程回復(fù)到熱平衡分布狀態(tài)弛豫過程的機(jī)制比較復(fù)雜，但在光抽運(yùn)的情況下，銣原子與容器壁碰撞是失去偏極化的主要原因通常在銣樣品泡內(nèi)充入氮、氖等作為緩沖氣體，其密度比樣品泡中銣蒸氣的原子密度約大6個數(shù)量級，可大大減少銣原子與容器壁碰撞的機(jī)會緩沖氣體的分子磁矩非常小，可認(rèn)為它們與銣原子碰撞時不影響這些原子在磁能級上的分布，從而能保持銣原子系統(tǒng)有較高的偏極化程度但緩沖氣體不可能使銣原子能級之間的躍遷完全被抑制，故光抽運(yùn)也就不可能把基態(tài)上的原子全部“抽運(yùn)”到特定的子能級上由實驗得知樣品泡中充入緩沖氣體后，弛豫時間為102s數(shù)量級在一般情況下，光抽運(yùn)造成塞曼子能級之間的粒子

8、差數(shù)，比玻耳茲曼分布造成的差數(shù)大幾個數(shù)量級4、磁共振與光檢測 式（4）給出了銣原子在弱磁場B0作用下相鄰塞曼子能級的能量差要實現(xiàn)這些子能級的共振躍遷，還必須在垂直于恒定磁場B0的方向上施加一射頻場B1作用于樣品當(dāng)射頻場的頻率滿足共振條件 h E gF B B0 （6）時，便發(fā)生基態(tài)超精細(xì)塞曼子能級之間的共振躍遷現(xiàn)象若作用在樣品上的是D1光，對于87Rb來說是由mF2躍遷到mF1子能級接著也相繼有mF1的原子躍遷到mF0，與此同時，光抽運(yùn)又把基態(tài)中非mF2的原子抽運(yùn)引mF2子能級上因此，興振躍遷與光抽運(yùn)將會達(dá)到一個新的動態(tài)平衡發(fā)生磁共振時，處于基態(tài)mF2子能級上的原子數(shù)小于未發(fā)生磁共振時的原子數(shù)

9、也就是說，發(fā)生磁共振時能級分布布的偏極化程度降低了，從而必然會增大對D1光的吸收。作用在樣品上的D1光，一方面起抽運(yùn)作用另一方面可用透過樣品的光作為檢測光，即一束光起了抽運(yùn)和檢測兩重作用。對磁共振信號進(jìn)行光檢測可大大提高檢測的靈敏度本來塞曼子能級的磁共振信號非常微弱，特別是密度很低的氣體樣品的信號就更加微弱，直接觀察射頻共振信號是很困難的光檢測充分利用磁共振時伴隨著D1光強(qiáng)的變化，可巧妙地將一個頻率較低的射頻量子(110MHz)轉(zhuǎn)換成一個頻率很高的光頻量子（約108MHz）的變化，使觀察信號的功率提高了78個數(shù)量級這樣，氣體樣品的微弱磁共振信號的觀測，便可用很簡便的光檢測方法來實現(xiàn)。二、實驗儀

10、器由主體單元(銣光譜燈、準(zhǔn)直透鏡、吸收池、聚光鏡、光電探測器及亥姆霍茲線圈)、電源、輔助源、射頻信號發(fā)生器、示波器組成。三、實驗設(shè)計步驟1儀器的調(diào)節(jié)（1）在裝置加電之前,先進(jìn)行主體單元光路的機(jī)械調(diào)整。再用指南針確定地磁場方向，主體裝置的光軸要與地磁場水平方向相平行。用指南針確定水平場線圈、豎直場線圈及掃場線圈產(chǎn)生的各磁場方向與地磁場水平和垂直方向的關(guān)系，并作詳細(xì)記錄。（2）將“垂直場”、“水平場”、“掃場幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下輔助源的池溫開關(guān)，接通電源開關(guān)。開射頻信號發(fā)生器、示波器電源。電源接通約三十分鐘后，銣光譜燈點(diǎn)燃并發(fā)出紫紅色光，池溫?zé)袅?，吸收池正常工作，實驗裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。（3）主

11、體裝置的光學(xué)元件應(yīng)調(diào)成等高共軸。調(diào)整準(zhǔn)直透鏡以得到較好的平行光束，通過銣樣品泡并射到聚光透鏡上。銣燈因不是點(diǎn)光源，不能得到一個完全平行的光束，但仔細(xì)調(diào)節(jié)，在通過聚光透鏡即可使銣燈到光電池上的總光量為最大，便可得到良好的信號。（4）調(diào)節(jié)偏振片及1/4波片，使1/4波片的光軸與偏振光偏振方向的夾角為/4以獲得圓偏振光。2光抽運(yùn)信號的觀察掃場方式選擇“方波”，調(diào)大掃場幅度。再將指南針置于吸收池上邊，設(shè)置掃場方向與地磁場方向相反，然后拿開指南針。預(yù)置垂直場電流為0.07A左右。用來抵消地磁場分量。然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度、調(diào)節(jié)掃場幅度及垂直場大小和方向，使光抽運(yùn)信號幅度最大。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運(yùn)信

12、號幅度最大。光抽運(yùn)信號波形掃場波形圖1（掃場波形中要加電場為零的縱軸線）銣樣品泡開始加上方波掃場的一瞬間，基態(tài)中各塞曼子能級上的粒子數(shù)接近熱平衡，即各子能級上的粒子數(shù)大致相等。 因此這一瞬間有總粒子數(shù)7/8的粒子在吸收D1光，對光的吸收最強(qiáng)。隨著粒子逐漸被抽運(yùn)到MF=+2子能級上，能吸收+的光粒子數(shù)減少，透過銣樣品泡的光逐漸增強(qiáng)。當(dāng)抽運(yùn)到MF=+2子能級上的粒子數(shù)達(dá)到飽和時，透過銣樣品泡的光達(dá)到最大且不再變化。當(dāng)磁場掃過零（指水平方向的總磁場為零）然后反向時，各塞曼子能級跟隨著發(fā)生簡并隨即再分裂。能級簡并時銣的子分布由于碰撞等導(dǎo)致自旋方向混雜而失去了偏極化，所以重新分裂后各塞曼子能級上的粒子數(shù)

13、又近似相等，對D1光的吸收又達(dá)到最大值，這樣就觀察到了光抽運(yùn)信號，如圖13.磁共振信號的觀察掃場方式選擇“三角波”，將水平場電流預(yù)置為0.7A左右，并使水平磁場方向與地磁場水平分量和掃場方向相同(由指南針判斷)。垂直場的大小和偏振鏡的角度保持前面的狀態(tài)不變。調(diào)節(jié)射頻信號發(fā)生器，頻率可以觀察到共振信號如圖2，對應(yīng)波形，可讀出頻率及對應(yīng)的水平場電流I。再按動水平場方向開關(guān)，使水平場方向與地磁場水平分量和掃場方向相反。同樣可以得到。這樣水平磁場所對應(yīng)的頻率為,即排除了地磁場水平分量及掃場直流分量的影響。用三角波掃場法觀察磁共振信號時，當(dāng)磁場值與射頻頻率滿足共振條件式時，銣原子分布的偏極化被破壞，產(chǎn)生

14、新的光抽運(yùn)。因此，對于確定的頻率，改變磁場值可以獲得Rb87或Rb85的磁共振?？傻玫酱殴舱裥盘柕膱D像。對于確定的磁場值（例如三角波中的某一場值），改變頻率同樣可以獲得Rb87或Rb85的磁共振。實驗中要求在選擇適當(dāng)頻率（600KHz）及場強(qiáng)的條件下，觀察銣原子兩種同位素的共振信號并詳細(xì)記錄所有參量。4測量g因子為了研究原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，測準(zhǔn)gF因子時很有用的。我們用的亥姆霍茲線圈軸線中心處的磁感強(qiáng)度為式中N為線圈匝數(shù)，r為線圈有效半徑（米） I為直流電流（安）。B為磁感強(qiáng)度（特斯拉），式hv= gFuBB0中，普朗克常數(shù)h=6.62610-34焦耳秒，玻爾磁子uB=9.27410-24焦耳/

15、特斯拉。利用兩式可以測出gF因子值。要注意，引起塞曼能級分裂的磁場是水平方向的總磁場(地磁場的豎上分量已抵消)，可視為B=B水平+ B地+ B掃，而B地、B掃的直流部分和可能還有的其它雜散磁場，所有這些都難以測定。這樣給直接測量gF因子帶來困難，但只要參考霍爾效應(yīng)實驗中用過的換向方法，就不難解決了。測量gF因子實驗的步驟自己擬定。有實驗測量的結(jié)果計算出Rb87或Rb85的gF因子值。計算理論值并與測量值進(jìn)行比較。四、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理1、圖形展示光抽運(yùn)信號 磁共振信號 2、公式2h=gB(B1+B2); 理論上Rb85g因子為1/3. Rb87g因子為1/2.射頻場頻率（KHZ）Rb85對應(yīng)的

16、電流值Rb87對應(yīng)的電流值掃場方向和水平場的方向Rb85g因子Rb87g因子6500.2530.151同方向（按下）0.3317004210.5017387670.3460.245反方向（彈起）9600.3900.244同方向（按下）0.334603990.5050735070.4870.337反方向（彈起）平均值 0.333152205 0.503406137誤差0.054%0.68%五、實驗結(jié)論本次實驗由于我們距離學(xué)習(xí)原子物理的時間較長，對于其中所涉及到的實驗原理有些不理解的地方，當(dāng)老師講解過后，我們加深對原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)、光抽運(yùn)、光躍遷及光磁共振的過程的理解。對于整個過程有了深刻的理解，最

17、終順利實驗測定銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級的郎德因子g。 微波順磁共振實驗報告 【摘要】本次實驗在了解微波的一些基本原理的基礎(chǔ)上來觀察微波順磁共振信號，并進(jìn)行g(shù)因子的計算?！娟P(guān)鍵詞】電子自旋、順磁性、 g因子 、共振躍遷【引言】由不配對電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù)，可用于從定性和定量方面檢測物質(zhì)原子或分子中所含的不配對電子，并探索其周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。對自由基而言，軌道磁矩幾乎不起作用，總磁矩的絕大部分(99以上)的貢獻(xiàn)來自電子自旋，所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振”(ESR)。EPR現(xiàn)象首先是由蘇聯(lián)物理學(xué)家 .扎沃伊斯基于1944年從MnCl2、CuCl2等順磁性鹽類發(fā)現(xiàn)的。物理學(xué)家最初用

18、這種技術(shù)研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。以后化學(xué)家根據(jù) EPR測量結(jié)果，闡明了復(fù)雜的有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵和電子密度分布以及與反應(yīng)機(jī)理有關(guān)的許多問題。美國的B.康芒納等人于1954年首次將EPR技術(shù)引入生物學(xué)的領(lǐng)域之中,他們在一些植物與動物材料中觀察到有自由基存在。60年代以來，由于儀器不斷改進(jìn)和技術(shù)不斷創(chuàng)新,EPR技術(shù)至今已在物理學(xué)、半導(dǎo)體、有機(jī)化學(xué)、絡(luò)合物化學(xué)、輻射化學(xué)、化工、海洋化學(xué)、催化劑、生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。【正文】一、實驗原理根據(jù)泡利原理:每個分子軌道上不能存在兩個自旋態(tài)相同的電子，因而各個軌道上已成對的

19、電子自旋運(yùn)動產(chǎn)生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成對電子的物質(zhì)才具有永久磁矩，它在外磁場中呈現(xiàn)順磁性。電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩s=geb ，其中b是玻爾磁子；ge是無量綱因子，稱為g因子。自由電子的g因子為ge=2.0023，單個電子磁矩在磁場方向分量=1/2geb外磁場H 的作用下，只能有兩個可能的能量狀態(tài)。即 E=1/2gH，能量差EgH這種現(xiàn)象稱為塞曼分裂(Zeeman splitting)。電子具有：電子自旋磁矩和外磁場的相互作用能：若設(shè)外磁場加在Z軸方向上，則有：這里：共振條件： 如果在垂直于H的方向上施加頻率為h的電磁波，當(dāng)滿足下面條件： hgH 則處于兩能級間的電子發(fā)生受激躍遷，導(dǎo)致部

20、分處于低能級中的電子吸收電磁波的能量躍遷到高能級中。這就是順磁共振現(xiàn)象。實驗中受激躍遷產(chǎn)生的吸收信號經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)處理可得到EPR吸收譜線，EPR波譜儀記錄的吸收信號一般是一次微分線型，或稱：一次微分譜線。實驗裝置如下圖： 二、實驗步驟1、連接實驗線路，講可變衰減器旋至最大，開啟系統(tǒng)各儀器電源，預(yù)熱20分鐘。同時自習(xí)閱讀各儀器的使用說明書，熟悉各儀器的使用和調(diào)節(jié)方法，以及注意事項。2、調(diào)節(jié)各儀器至工作狀態(tài)。3、將順次共振的實驗儀的旋鈕和按鈕作如下設(shè)置：“磁場”逆時針調(diào)到最低，“掃場”順時針調(diào)到最大。按下檢波按鈕，掃場按鈕彈起，此時磁共振實驗儀處于檢波狀態(tài)。4、將樣品位置刻度尺置于90mm處，樣品

21、腔置于磁靴正中央，并將單螺旋調(diào)配器的探針逆時針旋至“0”刻度。5、調(diào)節(jié)可變衰減器及檢波靈敏度旋鈕使磁共振實驗儀的調(diào)諧電表指示占滿刻度的2/3以上。然后用波長表測定微波信號的頻率。6、為使樣品諧振腔對微波信號諧振，調(diào)節(jié)樣品諧振腔的可調(diào)終端活塞，使調(diào)諧電表指示最小，此時，樣品諧振腔中的駐波分布如下圖。7、然后按下掃場按鈕，此時調(diào)諧電表指示為掃場電流的相對指示，調(diào)節(jié)掃場旋鈕可改變掃場電流。然后順時針調(diào)節(jié)磁場電流，當(dāng)電流達(dá)到1.71.9A之間時，即可出現(xiàn)下圖所示的電子共振信號。 8、g因子的測定，讀取磁共振儀的電流值，根據(jù)磁共振實驗儀輸出電流與磁場強(qiáng)度H的數(shù)值的關(guān)系曲線，確定共振時磁場強(qiáng)度，根據(jù)實驗時

22、測定的頻率，帶入公式。 三、實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析1、用波長表測定微波信號的頻率，得出結(jié)果。波長表可變衰減器隔離器震蕩器頻率f3.075m0mm3.852mm9370MHz2、按照步驟調(diào)出共振圖像選取圖像依據(jù)：掃場經(jīng)過一個周期，對應(yīng)的圖像共振兩次，此時共振是掃場幾乎處于零點(diǎn)。電流I=2.152A3、測量磁場大小當(dāng)兩個共振點(diǎn)距離相等時，測量磁場大小，我們知道要產(chǎn)生共振，頻率是固定的9370MHz，已經(jīng)調(diào)好，所以對應(yīng)的B0也就可以確定下來。磁感應(yīng)強(qiáng)度用特斯拉計測量，B=0.338T。123平均B（mT）333340342338g因子計算：據(jù)其中h= 6.626068 10-34 m2 kg / s，=

23、9370MHZ，玻爾磁子B = 9.27410-24 JT-1，計算得到g=1.9806，理論值g=2.0023，相對誤差為1.08%。四、實驗總結(jié)通過本次實驗，我們了解到了順磁共振的基本原理，并通過實驗找出共振圖像，順利計算出g因子，與理論值進(jìn)行比較，誤差很小。在本次實驗中，更深一步的了解了衰減器、波長表、檢波器、示波器等儀器的使用。熟練掌握調(diào)節(jié)出共振圖像的基本步驟，并對其中的原理有了充分的了解。核磁共振實驗報告【摘要】本次實驗在了解核磁共振的基礎(chǔ)上，用掃頻法觀察核磁共振現(xiàn)象，并測定g因子，同時比較摻入順磁物質(zhì)濃度不同的水樣品，觀察它們吸收信號之間的差異。【關(guān)鍵詞】核磁 吸收 共振圖像 g因

24、子【引言】元素周期表中絕大多數(shù)元素都有核自旋和核磁矩不為零的同位素。這些核在恒定磁場 B和橫向高頻磁場bo()的同時作用下,在滿足N=NB 的條件下會產(chǎn)生核磁共振（N為核磁旋比）,也可在恒定磁場B突然改變方向時,產(chǎn)生頻率為o=B、振幅隨時間衰減的核自由進(jìn)動，它在某些方面與核磁共振有相似之處。在固體中，核受到外加場Be和內(nèi)場Bi的作用，使共振譜線產(chǎn)生微小的移位(約0.11)，在金屬中稱為奈特移位，在一般化合物中稱為化學(xué)移位，在序磁材料中由于核外電子的極化會產(chǎn)生約1010T的內(nèi)場，稱為超精細(xì)作用場。這些移位和內(nèi)場反映核周圍化學(xué)環(huán)境（指電子組態(tài)和原子分布等）的影響。研究核磁共振中的能量交換和轉(zhuǎn)移的弛

25、豫過程，包括核自旋自旋弛豫和核自旋點(diǎn)陣弛豫兩種過程，也反映化學(xué)環(huán)境的影響。因此，核磁共振起著探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的微探針作用。目前，核磁共振已成為研究各種固體（包括無機(jī)、有機(jī)和生物大分子材料）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過程的重要方法。新發(fā)展的核磁共振成像技術(shù)不但與超聲成像和X射線層析照相有相似的功能,而且還可能顯示化學(xué)元素和弛豫時間的分布?！菊摹恳?、實驗原理 按照量子力學(xué)，原子核角動量的大小由決定，式中為普朗克常數(shù)，I為核自旋量子數(shù)，對于氫核I=1/2。把氫核放在外磁場B中，取坐標(biāo)軸z方向為B的方向。 任何兩個能級間能量差，對氫核而言，自旋量子數(shù)I=1/2，所以磁量子數(shù)m只能取兩個值，即m

26、=1/2和m=-1/2。磁矩在外場方向上的投影也只能取兩個值。氫核能級在磁場中的分裂 根據(jù)量子力學(xué)選擇定則，只有的兩個能級之間才能發(fā)生躍遷，其能量差為。由此公式可知：相鄰兩個能級差與外磁場B的大小成正比，磁場越強(qiáng)，則兩個能級分裂也越大。 若實驗時外磁場為B0，用頻率為0的電磁波照射原子核，如果電磁波的能量h0恰好等于氫原子核兩能級能量差，即，則氫原子核就會吸收電磁波的能量，由m=1/2的能級躍遷到m=-1/2的能級，這就是核磁共振吸收現(xiàn)象，上式就是核磁共振條件。 如果處于高能級上的核數(shù)目與處于低能級上的核數(shù)目沒有差別,則在電磁波的激發(fā)下,上下能級上的核都要發(fā)生躍遷, 并且躍遷幾率是相等的,吸收

27、能量等于輻射能量,觀察不到任何核磁共振信號。 只有當(dāng)?shù)湍芗壣系脑雍藬?shù)目大于高能級上的核數(shù)目, 吸收能量比輻射能量多,這樣才能觀察到核磁共振信號。 在熱平衡狀態(tài)下,核數(shù)目在兩個能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定:式中N1為低能級上的核數(shù)目，N2為高能級上的核數(shù)目，為上下能級間的能量差，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，, 所以上式可近似寫為 上式說明，低能級上的核數(shù)目比高能級上的核數(shù)目略微多一點(diǎn)。 本實驗采用連續(xù)波的方法。首先有用此帖產(chǎn)生一個恒定勻強(qiáng)磁場B01，再由掃場線圈在B01上疊加一個旋進(jìn)磁場B02= Asin0t疊加后的勻強(qiáng)磁場為B0=B01+Asin0t，即其在一定范圍內(nèi)做正弦運(yùn)動。有

28、信號檢測器在探頭內(nèi)產(chǎn)生一個與B0垂直的正弦運(yùn)動的磁場B1=Asin0t其中B1的角頻率可調(diào)。設(shè)B=/,則每當(dāng)B1在運(yùn)動過程中掃過B時，產(chǎn)生一次共振。故共振現(xiàn)象隨掃場頻率周期性發(fā)生。由示波器可觀察共振信號。二、實驗裝置 核磁共振實驗儀主要包括磁鐵及掃場線圈、探頭與樣品、 邊限振蕩器、 磁場掃描電源、 頻率計及示波器。實驗裝置如圖所示三、實驗內(nèi)容（1）校準(zhǔn)永久磁鐵中心的磁場Bo ，把樣品為水（摻有三氟化鐵）的探頭下端的樣品盒插入到磁鐵中心，并使電路盒水平放置在磁鐵上方的機(jī)座上，左右移動電路盒使它大致處于機(jī)座的中間位置，將電路盒背面的“頻率測試”和“共振信號”分別與頻率計和示波器連接，把示波器的掃描

29、速度旋鈕放在5ms/格位置，縱向放大旋鈕放在0.1V/格或0.2V/格位置，打開頻率計，示波器和邊限振蕩器的電源開關(guān)，這時頻率計應(yīng)有讀數(shù)，接通可調(diào)變阻器電流到中間位置，緩慢調(diào)節(jié)邊限振蕩器的頻率旋鈕，改變振蕩頻率（由小到大或由大到?。┩瑫r監(jiān)視示波器，搜索共振信號。水的共振信號將出現(xiàn)尾波振蕩，而且磁場越均勻尾波中的振蕩次數(shù)越多。因此一旦觀察到共振信號以后，應(yīng)進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)電路盒在木座上的左右位置，使尾波中振蕩的次數(shù)最多，即使探頭處在磁鐵中磁場最均勻的位置，并利用木座上的標(biāo)尺記下此時電路盒邊緣的位置。作為定量測量，我們除了要求出待測量的數(shù)值外，還關(guān)心如何減小測量誤差并力圖對誤差的大小作出定量估計從而

30、確定測量結(jié)果的有效數(shù)字，從圖可以看出，一旦觀察到共振信號，B0的誤差不會超過掃場的幅度?，F(xiàn)象觀察：適當(dāng)增大，觀察到盡可能多的尾波振蕩，然后向左（或向右）逐漸移動電路盒在木座上的左右位置，使下端的探頭從磁鐵中心逐漸移動到邊緣，同時觀察移動過程中共振信號波形的變化并加以解釋。（2）測量F19的g因子 把樣品為水的探頭換為樣品為聚四氟乙烯的探頭，并把電路盒放在相同的位置，示波器的縱向放大旋鈕調(diào)節(jié)到50mV/格或20mV/格，用與校準(zhǔn)磁場過程相同的方法和步驟測量聚四氟乙烯中F19與B0對應(yīng)的共振頻率vN。以及在峰頂及谷底附近的共振頻率F及F，利用vF和公式（9）求出F19的g因子，根據(jù)公式（9），g因子的相對誤差為 式中B0和B0為校準(zhǔn)磁場得到的結(jié)果。求出g/g之后可利用已算出的g因子求出絕對誤差g，g