核磁共振實驗

1、核磁共振實驗實驗目的：1、了解核磁共振原理2、 利用核磁共振的方法確定樣品的旋磁比丫、 朗德因子gN和原子核的磁矩卩I3、用核磁共振測磁場強度實驗重點：原子核能級分裂情況，發(fā)生共振的條件實驗難點：氫核和氟核的共振頻率的調(diào)節(jié)實驗原理：下面我們以氫核為主要研究對象，以此來介紹核磁共振的基本原理和觀測方 法。氫核雖然是最簡單的原子核，但它是目前在核磁共振應用中最常見和最有用 的核。(一)核磁共振的量子力學描述1單個核的磁共振通常將原子核的總磁矩在其角動量 P方向上的投影稱為核磁矩，它們之 間的關(guān)系通常寫成e2mP式中g(shù)N ?稱為旋磁比；e為電子電荷；m為質(zhì)子質(zhì)量；gN為朗德2mP因子。對氫核來說，g

2、N 5.5851按照量子力學，原子核角動量的大小由下式?jīng)Q定P .111 hh1 3式中h ,h為普朗克常數(shù)。丨為核的自旋量子數(shù)，可以取I 0,1,空，22 2對氫核來說I 2把氫核放入外磁場B中，可以取坐標軸z方向為B的方向。核的角動量在B方向上的投影值由下式?jīng)Q定PB mh(23)式中m稱為磁量子數(shù)，可以取m 1,11, (I 1), I。核磁矩在B方向上的投影為g- Pb gN-e)m2mP2mP將它寫為(24)式中n27 JT 1稱為核磁子，是核磁矩的單位磁矩為的原子核在恒定磁場B中具有的勢能為E ?B bB gN NmB任何兩個能級之間的能量差為E Em1 E m2g N N B（mi

3、m2）（ 25）考慮最簡單情況，對氫核而言，自旋量子數(shù)I 1，所以磁量子數(shù)m只能取兩個21 i值，即m -和-。磁矩在外磁場方向上的投影也只能取兩個值，如圖2 12 2中的（a）所示，與此相對應的能級如圖2 1中（b）所示。圖27氫核能級在磁場中的分裂根據(jù)量子力學中的選擇定則，只有 m 1的兩個能級之間才能發(fā)生躍遷, 這兩個能級之間的能量為E g N N ? B由這個公式可知：相鄰兩個能級之間的能量差E與外磁場B的大小成正比，磁場越強，則兩個能級分裂也越大如果實驗時外磁場為B。，在該穩(wěn)恒磁場區(qū)域又疊加一個電磁波作用于氫核,如果電磁波的能量hVo恰好等于這時氫核兩能級的能量差gN nBo，即hV

4、o gN N Bo(27)則氫核就會吸收電磁波的能量，由m -的能級躍遷到m -的能級，這就 2 2是核磁共振的吸收現(xiàn)象式(2 7 )就是核磁共振條件。為了應用上的方便，常寫成Vo (坐-)Bo,即 o Boh(2 8)2 核磁共振信號的強度N2Ni上面討論的是單個的核放在外磁場中的核磁共振理論。但實驗中所用的樣 品是大量同類核的集合。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，吸收能量等于輻射能量，我們就觀察不到任何核磁共振信號。 只有當?shù)?能級上的原子核數(shù)目大于高能級上的核數(shù)目， 吸收能量比輻射能量多，

5、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：(2 9)ex)( ) ex)( gN nB°) kTkT式中Ni為低能級上的核數(shù)目，N為高能級上的核數(shù)目，E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。當gN nBo kT時，上式可以近似寫成N2NigN N BokT(2 IQ)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。對氫核來說,如果實驗溫度T=300K,外磁場Bo=1T，貝UNi 1675 io6或丁 7 io6這說明，在室溫下，每百萬個低能級上的核比高能級上的核大約只多出7個。 這就是說，在低能級上參與核磁

6、共振吸收的每一百萬個核中只有7個核的核磁共 振吸收未被共振輻射所抵消。所以核磁共振信號非常微弱，檢測如此微弱的信號需要高質(zhì)量的接收器由式（2 10）可以看出，溫度越高，粒子差數(shù)越小，對觀察核磁共振信號越 不利。外磁場Bo越強，粒子差數(shù)越大，越有別于觀察核磁共振信號。一般核磁 共振實驗要求磁場強一些，其原因就在這里另外，要想觀察到核磁共振信號，僅僅磁場強一些還不夠，磁場在樣品范圍內(nèi)還應高度均勻，否則磁場多么強也觀察不到核磁共振信號。原因之一是，核磁共振信號由式（27）決定，如果磁場不均勻，則樣品內(nèi)各部分的共振頻率不同。 對某個頻率的電磁波，將只有少數(shù)核參與共振， 結(jié)果信號被噪聲所淹沒，難以觀 察

7、到核磁共振信號。儀器與裝置核磁共振實驗儀主要包括磁鐵及調(diào)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（27）所示：2-1核磁共振實驗裝置示意因調(diào)節(jié)過程（一）熟悉各儀器的性能并用相關(guān)線連接實驗中，F(xiàn)DCNMR I型核磁共振儀主要應用五部分：磁鐵、磁場掃描電源、 邊限振蕩器（其上裝有探頭、探頭內(nèi)裝樣品）、頻率計和示波器。（1）首先將探頭旋進邊限振蕩器后面指定位置，并將測量樣品插入探頭內(nèi)；（2）將磁場掃描電源上“掃描輸出”的兩個輸出端接磁鐵面板中的一組接線柱（磁鐵面板上共有四組，是等同的，實驗中可任選一組），并經(jīng)磁場掃描電源機箱后面板上的接線頭與邊限振蕩器后面板上的接頭

8、用相關(guān)線連接；（3） 將邊限振蕩器的“共振信號”輸出用 Q9線接示波器“ CH1通道”或者“ CH2 通道”，“頻率輸出”用Q9線線接頻率計的A通道（頻率計的通道選擇：A通道， 即 1HZH 100MHZ;FUNCTIC選擇：FA;GATETIM選擇：1S）；（4）移動邊限震蕩器將探頭連同樣品放入磁場中，并調(diào)節(jié)邊限振蕩器機箱低部 四個調(diào)節(jié)螺絲，使探頭放置的位置保證使內(nèi)部線圈產(chǎn)生的射頻磁場方向與穩(wěn)恒磁 場方向垂直；（5）打開磁場掃描電源、邊線振蕩器、頻率計和示波器的電源，準備后面的儀 器調(diào)試。（二）核磁共振信號的調(diào)節(jié)FD CNMI型核磁共振儀配備了六種樣品：1#溶硫酸銅的水、2井一溶 三氯化鐵的

9、水、3#氟碳、4#一兩三醇、5#純水、 6#一溶硫酸錳的水。 實驗中，因為1#樣品的共振信號比較明顯，所以開始時應該用 1#樣品，熟悉 了實驗操作之后，再選用其他樣品調(diào)節(jié)。S2-10示波器觀察核磁共振信號（1）將磁場掃描電源的“掃描輸出”旋鈕順時針調(diào)節(jié)至接近最大（旋至最大后， 再往回旋半圈，因為最大時電位器電阻為零， 輸出短路，因而對儀器有一定的損 傷），這樣可以加大捕捉信號的范圍；（2）調(diào)節(jié)邊限振蕩器的頻率“粗調(diào)”電位器，將頻率調(diào)節(jié)至磁鐵標志的H共振 頻率附近，然后旋動頻率調(diào)節(jié)“細調(diào)”旋鈕，在此附近捕捉信號，當滿足共振條 件Bo時，可以觀察到如圖（210）所示的共振信號。調(diào)節(jié)旋鈕時要盡量慢，

10、因為共振范圍非常小，很容易跳過。注：因為磁鐵的磁感應強度隨溫度的變化而變化（成反比關(guān)系），所以應在標志頻率附近1MHZ的范圍內(nèi)進行信號的捕捉?。?）調(diào)出大致共振信號后，降低掃描幅度，調(diào)節(jié)頻率“細調(diào)”至信號等寬，同 時調(diào)節(jié)樣品在磁鐵中的空間位置以得到微波最多的共振信號。實驗內(nèi)容：1、調(diào)出共振信號后，記下此時頻率計的讀數(shù)，用特斯拉計測出樣品所在處的磁 場強度。2、用測得的數(shù)據(jù)計算樣品（核）的旋磁比、朗德因子 gN 和磁矩 I3、用已知的旋磁比，測出共振頻率，計算磁場強度。4、用比較法測氟核的旋磁比（此時無特斯拉計）實驗數(shù)據(jù):121.9032MHz221.9047MHz320.6052 MHz21.9034MHz521.9026MHz621.9032 MHz21.9034 MHzB 0.534T 氫核的共振頻率fo21.9034 1060.5342.5759 108 Hz/T氟核的共振頻