實驗 核磁共振實驗

1、核磁共振實驗講義實驗目的：1了解核磁共振的基本原理，包括：對核自旋、在外磁場中的能級分裂、受激躍遷的基本概念的理解，同時對實驗的基本現(xiàn)象有一定認識。2學習利用核磁共振校準磁場和測量因子g的方法：了解實驗設備的基本結(jié)構(gòu)，掌握利用掃場法創(chuàng)造核磁共振條件的方法，學會利用示波器觀察共振吸收信號。實驗簡介：自旋不為零的粒子，如電子和質(zhì)子，具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放入穩(wěn)恒的外磁場中，粒子的磁矩就會和外磁場相互作用使粒子的能級產(chǎn)生分裂，分裂后兩能級間的能量差為E = hB0（1） 其中：為旋磁比，h為約化普朗可常數(shù)，B0為穩(wěn)恒外磁場。如果此時再在穩(wěn)恒外磁場的垂直方向加上一個交變電磁場，該電磁場的能

2、量為E=h（2）其中：為交變電磁場的頻率。當該能量等于粒子分裂后兩能級間的能量差時，即：h = h B0（3）2 = B0（4）低能極上的粒子就要吸收交變電磁場的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。實驗設備a) 樣品：提供實驗用的粒子。b) 永磁鐵：提供穩(wěn)恒外磁場，中心磁感應強度B約為 Bo（實驗待求）。c) 邊限振蕩器：產(chǎn)生射頻場,提供一個垂直與穩(wěn)恒外磁場的交變磁場，頻率。同時也將探測到的共振電信號放大后輸出到示波器，邊限振蕩器的頻率由頻率計讀出。d) 繞在永鐵外的磁感應線圈：其提供一個疊加在永磁鐵上的掃場。e) 調(diào)壓變壓器：為磁感應線圈提供50Hz的掃場電壓。f) 頻率計：讀取射頻場的頻率。g)

3、 示波器：觀察共振信號。探測裝置的工作原理:圖一中繞在樣品上的線圈是邊限震蕩器電路的一部分，在非磁共振狀態(tài)下它處在邊限震蕩狀態(tài)（即似振非振的狀態(tài)），并把電磁能加在樣品上,方向與外磁場垂直。當磁共振發(fā)生時，樣品中的粒子吸收了震蕩電路提供的能量使振蕩電路的Q值發(fā)生變化，振蕩電路產(chǎn)生顯著的振蕩，在示波器上產(chǎn)生共振信號。實驗原理：在微觀世界中物理量只能取分立數(shù)值的現(xiàn)象很普遍。一般來說原子核自旋角動量也不能連續(xù)變化，只能取分立值即：其中I稱為自旋量子數(shù)，只能取0，1，2，3， 等整數(shù)值或1/2，3/2，5/2， 等半整數(shù)值右圖是在外磁場B0中塞曼分裂圖（半數(shù)以上的原子核具有自旋，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一小磁場。當加

4、一外磁場，這些原子核的能級將分裂，即塞曼效應。）本實驗涉及的質(zhì)子和氟核 F19 的自旋量子數(shù)I都等于1/2。類似地原子核的自旋角動量在空間某一方向，例如z方向的分量不能連續(xù)變化，只能取分立的數(shù)值其中量子數(shù)m只能取I，I-1， ，-I+1，-I等（2I+1）個數(shù)值。自旋角動量不為零的原子核具有與之相聯(lián)系的核自旋磁矩， 簡稱核磁矩（magnetic moment）。其大小為其中e為質(zhì)子的電荷，M為質(zhì)子的質(zhì)量，g是一個由原子核結(jié)構(gòu)決定的因子，對不同種類的原子核g的數(shù)值不同，g成為原子核的g因子。由于核自旋角動量在任意給定的z方向的投影只可能?。?I+1）個分立的數(shù)值，因此核磁矩在z方向上的投影也只能

5、取（2I+1）個分立的數(shù)值：原子核的磁矩的單位為：mN稱為核磁子。采用mN作為核磁矩的單位以后，mz可記為mz =gmmN。而核磁矩與角動量本身的大小相對應即： 角動量為：核磁矩為：除了用g因子表征核的磁性質(zhì)外，通常引入另一個可以由實驗測量的物理量g，g定義為原子核的磁矩與自旋角動量之比：利用g我們可寫成=gp，相應地有z = gpz。當不存在外磁場時，原子核的能量不會因處于不同的自旋狀態(tài)而不同但是，當施加一個外磁場B后，情況發(fā)生變化為了方便起見，通常把B的方向規(guī)定為z方向，由于外磁場B與磁矩的相互作用能為：核磁矩在加入外場B后，具有了一個正比于外場的頻率，量子數(shù)m取值不同，則核磁矩的能量也就

6、不同。原來簡并的同一能級分裂為(2I+1)個子能級。不同子能級的能量雖然不同，但相鄰能級之間的能量間隔 卻是一樣的即而且，對于質(zhì)子而言，I=1/2，因此，m只能取m=12和m= -1/2兩個數(shù)值。簡并能級在磁場中分開。其中的低能級狀態(tài)，對應E1= mB，與場方向一致的自旋，而高的狀態(tài)對應于E2= - mB，與場方向相反的自旋。當核自旋能級在外磁場B作用下產(chǎn)生分裂以后，原子核在不同能級上的分布服從玻爾茲曼分布。若在與B垂直的方向上再施加一個高頻電磁場（射頻場），且射頻場的頻率滿足一定條件時,會引起原子核在上下能級之間躍遷。這種現(xiàn)象稱為共振躍遷（簡稱共振）。 發(fā)生共振時射頻場需要滿足的條件稱為共振

7、條件如果用圓頻率=2 表示，共振條件可寫成通過測量質(zhì)子在磁場B中的共振頻率 H 可實現(xiàn)對磁場的校準，即反之，若B已經(jīng)校準，通過測量未知原子核的共振頻率 便可求出待測原子核的值(通常用/2值表征)或g因子。觀察共振現(xiàn)象通常有兩種方法：本實驗采用的是掃場法，幅度為幾個高斯具體的圖像說明如下：在永磁鐵B0上疊加一個低頻交變磁場BmSint（為市電頻率50HZ，遠低于射頻場的頻率，約幾十MHZ），使氫質(zhì)子兩能級能量差的值h（B0+BmSint）有一個變化的區(qū)域。我們調(diào)節(jié)射頻場的頻率，使射頻場的能量h進入這個區(qū)域，這樣在某一瞬間等式h =h（B0+BmSint）總能成立。（見下圖）此時通過邊限振蕩器的探

8、測裝置在示波器上可觀測到共振信號由上圖可見，當共振信號非等間距時，共振點處h=h（B0+BmSint），BmSint非零。調(diào)節(jié)射頻場的頻率使共振信號等間距，共振點處t=n，BmSint=0，h=hB0實驗要求和步驟：觀察硫酸銅溶液的核磁共振信號： （1） 連 接1）將硫酸銅樣品放入探頭中，并把探頭的一端與邊限振蕩器的接頭相連，另一端置于磁鐵間隙的中間位置；2） 用航空線把掃描電源背后的航空接頭與邊限振蕩器的電源接頭相連；3） 掃描電源的“掃描輸出”兩端與磁鐵面板上的任一組線圈接線柱相連；4） “ X 輸出”兩端經(jīng)插片線接至示波器的X 通道；5）用將邊限振蕩器的“共振頻率”輸出端與頻率計相連；6

9、）用線將邊限振蕩器的“共振信號”輸出與示波器的Y 通道相連。（2） 觀 測1）調(diào)節(jié)掃描電源上的“掃描幅度” 旋鈕及邊限振蕩器上的“幅度調(diào)節(jié)” 旋鈕，再調(diào)節(jié)邊限振蕩器上的粗調(diào)旋鈕到磁鐵面板示值附近，然后調(diào)節(jié)細調(diào)旋鈕得到等寬、最強、尾波最多的共振信號,記下頻率、電壓及示波器參數(shù)，并描畫信號波形，如下圖所示（參考）：2）按下示波器上的TIME(x - y)按鈕，并調(diào)節(jié)掃描電源上的x軸相位與x軸幅度旋鈕，以觀察李薩如圖形，如圖2 所示（參考）：實驗數(shù)據(jù)處理實驗條件：樣品硫酸銅樣品磁感應強度示波器參數(shù)掃描電壓掃描時間數(shù)據(jù)記錄（其中U 為射頻場幅度， f 為頻率）：1234U/Vf/MHz計算與g附錄1：核磁共振的應用：核磁共振適合于液體、固體。如今的高分辨技術(shù)，還將核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經(jīng)從過去的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實驗方法被放棄，新的實驗方法迅速發(fā)展，它們將分子結(jié)構(gòu)和分子間的關系表現(xiàn)得更加清晰。在世界的許多大學、研究機構(gòu)和企業(yè)集團，都可以聽到核磁共振這個名詞，包括我們在日常生活中熟悉的大集團。而且它在化工、石油、橡膠、建材、食品、冶