核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、前言和實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮舜殴舱袷侵甘茈姶挪ㄗ饔玫脑雍讼到y(tǒng)在外磁場(chǎng)中磁能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)的樣品在外磁場(chǎng)中，外磁場(chǎng)使樣品核能級(jí)因核自旋不同的取向而分裂，在數(shù)千高斯外磁場(chǎng)下核能級(jí)的裂距一般在射頻波段，樣品在射頻電磁波作用下，粒子吸收電磁波的能量，從而產(chǎn)生核能級(jí)的躍遷。1932年發(fā)現(xiàn)中子后，才認(rèn)識(shí)到核自旋是質(zhì)子自旋和中子自旋之和，質(zhì)子和中子都是自旋角動(dòng)量為的費(fèi)米子，只有質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)兩者或其一為奇數(shù)時(shí)，核才有非零的核磁矩，正是這種磁性核才能產(chǎn)生核磁共振。核磁共振信號(hào)可提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富信息，如譜線的寬度、形狀、面積、譜線在頻率或磁場(chǎng)刻度上的準(zhǔn)確位置、譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、弛豫時(shí)間等，加之是對(duì)樣品的無損測(cè)量，廣泛的應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)的確定、液相和固相的動(dòng)力學(xué)研究、醫(yī)用診斷、固體物理學(xué)、分析化學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域，是確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)方法。核磁共振還是磁場(chǎng)測(cè)量和校準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法之一，其不確定度可達(dá)%。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）掌握核磁共振的實(shí)驗(yàn)原理和方法（2）用核磁共振方法校準(zhǔn)外磁場(chǎng)B，測(cè)量氟核的因子以及橫向馳豫時(shí)間2、實(shí)驗(yàn)原理如原子處在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂一樣，許多原子核處在磁場(chǎng)中也會(huì)發(fā)生能級(jí)的分裂，因?yàn)樵雍艘泊嬖谧孕F(xiàn)象。質(zhì)子和中子都是自旋角動(dòng)量等于的費(fèi)米子，當(dāng)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都為偶數(shù)時(shí)原子核的磁矩為0，當(dāng)其一為奇數(shù)時(shí)原子核磁矩為半整數(shù)，當(dāng)兩個(gè)都為奇數(shù)時(shí)核磁矩為整數(shù)。只有具有核磁矩的原子核才有核磁共振現(xiàn)象。我們知道在微觀世界里物理量都只能取分立的值，即都是量子化的。原子核的角動(dòng)量也只能取分立的值,I為自旋量子數(shù)，取分立的值。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)用到的和，自旋量子數(shù)I都為1/2。沿z方向的角動(dòng)量為，在這里m只能取1/2或-1/2。而自旋角動(dòng)量不為0的核具有核磁矩，考慮沿z軸方向則有，其中以為原子核磁矩的基本單位，。在沒有磁場(chǎng)作用時(shí)，原子核的能量時(shí)一樣的，但處于磁場(chǎng)中則會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂，，本實(shí)驗(yàn)中，故有。外加一射頻場(chǎng)，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)就會(huì)發(fā)生共振吸收，條件為，從而有共振頻率。通過測(cè)量ν，B可以得到γ；而在已知某原子核γ值的情況下，通過測(cè)量共振頻率即可得磁場(chǎng)強(qiáng)度。通過以上的討論我們已經(jīng)了解了核磁共振的機(jī)理，而為了觀察到共振現(xiàn)象通常有兩種方法：一種是固定B連續(xù)改變頻率，稱為掃頻法；另一種為固定頻率連續(xù)改變磁場(chǎng)大小，稱為掃場(chǎng)法，也是本實(shí)驗(yàn)采用的方法。如果掃場(chǎng)速度慢將得到洛倫茲型曲線，若變化較快則得到帶有尾波的衰減振蕩曲線。但對(duì)于不同原子核而言，快慢的定義是不同。在本實(shí)驗(yàn)中采用的頻率為50hz,對(duì)而言是快場(chǎng)，而對(duì)而言則為慢場(chǎng)。另外磁場(chǎng)越是均勻，尾波的振蕩次數(shù)就越多。3、實(shí)驗(yàn)器材永久磁鐵(含掃場(chǎng)線圈)、邊限振蕩器(包括探頭兩個(gè)(樣品分別為水和聚四氟乙烯))、數(shù)字頻率計(jì)、示波器、可調(diào)變壓器4、注意事項(xiàng)1、應(yīng)注意盡量把樣品放至中間以獲得較均勻磁場(chǎng)，可通過對(duì)示波器的觀察進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、注意接線，本實(shí)驗(yàn)對(duì)外界信號(hào)較為敏感，故要注意保證接線的可靠性。3、調(diào)節(jié)時(shí)要有耐心，不宜太快，以得到較高的精確度。4、要愛護(hù)器材，這種器材一旦有所損壞會(huì)導(dǎo)致靈敏度迅速降低甚至得不到結(jié)果。5、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算結(jié)果和估算不確定度等根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：1.估測(cè)永久磁鐵中心最均勻處磁場(chǎng)及其不確定度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序號(hào)的頻率谷點(diǎn)的頻率峰點(diǎn)的頻率（T）125.07225.07925.0620.000020225.07225.08125.0640.000020325.07425.07925.0610.000021平均值25.07325.08025.0620.000020數(shù)據(jù)處理：中間最均勻磁場(chǎng)的估計(jì)值為：=0.58886T掃場(chǎng)幅度為：=0.00021T測(cè)量的不確定度為：=0.00002T故計(jì)算結(jié)果如下：2.測(cè)量的值所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序號(hào)氟的頻率谷點(diǎn)的頻率峰點(diǎn)的頻率(T)(MHz)123.58723.59423.5810.0000160.00065223.58623.59723.5830.0000170.00070323.58423.59523.5800.0000190.00075平均值23.58623.59523.5810.0000170.00070由以上數(shù)據(jù)得估計(jì)值為：=40.054MHz/T不確定度為：=0.002MHz/T所以所得結(jié)果為：實(shí)驗(yàn)冊(cè)附錄中給的值為40.055MHz/T,測(cè)量所得結(jié)果與之相符。6、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和不確定度的來源及談?wù)勑牡煤透倪M(jìn)方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和不確定度來源：實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與實(shí)際值基本相符，較為理想，但也存在一些因素使測(cè)量的精度受限：①示波器的使用帶了的觀察上的誤差，精度有限②射頻器的頻率調(diào)節(jié)變化太快，無法實(shí)現(xiàn)更為精確的調(diào)節(jié)③中間均勻磁場(chǎng)的尋找會(huì)引入誤差，手動(dòng)粗調(diào)一般誤差較大改進(jìn)方法：①改進(jìn)示波器的精度；或?qū)⑿盘?hào)輸入電腦處理，用電腦判斷給出尾波數(shù)，以得更精確結(jié)果②改進(jìn)頻率調(diào)節(jié)器如設(shè)置微調(diào)旋鈕，使其能實(shí)現(xiàn)微調(diào)③采用機(jī)械方式調(diào)節(jié)樣品位置，如可設(shè)置為通過旋鈕調(diào)節(jié)其空間位置實(shí)驗(yàn)心得：本實(shí)驗(yàn)所使用的儀器有兩種，開始時(shí)我采用的是調(diào)節(jié)難度較大的復(fù)旦大學(xué)的儀器，由于實(shí)驗(yàn)儀器受損外界干擾大未能完成實(shí)驗(yàn)。不過通過這個(gè)不成功的實(shí)驗(yàn)也頗有體會(huì)，在做精確要求較高的實(shí)驗(yàn)時(shí)采用視覺判斷和手動(dòng)直接調(diào)節(jié)難以得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且實(shí)驗(yàn)時(shí)必須屏蔽外界的干擾信號(hào)。復(fù)旦大學(xué)儀器采用人工調(diào)節(jié)位置且自由度巨大，放樣品的線圈也即振蕩線圈可以扳動(dòng)，靠視覺判斷其是否豎直向下，放入后可上下左右前后純手工調(diào)節(jié)。另外各種設(shè)備可能屏蔽外界干擾不到位使得得不到穩(wěn)定信號(hào)。感覺用這種實(shí)驗(yàn)儀器做精確的近代物理實(shí)驗(yàn)是沒什么意義的，不過倒是可以作為我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)注意事項(xiàng)的反面教材。于是后來只好到同學(xué)已做完的實(shí)驗(yàn)儀器上完成本實(shí)驗(yàn)。7、選擇題1）、在核磁共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中磁場(chǎng)調(diào)制的主要作用：CA、產(chǎn)生一正弦波。B、與外磁場(chǎng)，疊加形成合磁場(chǎng)。C、幫助實(shí)驗(yàn)者比較容易地發(fā)現(xiàn)共振信號(hào)。D、便于從示波器獲得穩(wěn)定清晰波形。2）、在本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生核磁共振信號(hào)的方法是：BA、脈沖波法。B、連續(xù)波法。C、感應(yīng)輻射法。D、上述任意一種方法。3）用示波器掃描信號(hào)觀察核磁共振吸收信號(hào)中，當(dāng)射頻振蕩輸出頻率等于核磁共振頻率時(shí)，共振吸收峰的特征是：BA、峰位置要隨調(diào)制磁場(chǎng)幅度值的改變而移動(dòng)。B、峰位置等間距，峰位置會(huì)隨調(diào)制磁場(chǎng)幅度值改動(dòng)而移動(dòng)。C、峰位置等間距，峰位置不隨調(diào)制磁場(chǎng)幅值改變而移動(dòng)，僅峰值有微小變化。D、峰的位置及幅值都會(huì)隨調(diào)制磁場(chǎng)幅值的改變而改變。4）當(dāng)射頻振蕩頻率為適合外磁場(chǎng)的原子核拉摩爾頻率時(shí)，調(diào)制磁場(chǎng)的幅度改變不影響共振吸收峰的位置的原因是：AA、核磁共振吸收峰出現(xiàn)在調(diào)制磁場(chǎng)瞬時(shí)值為0的時(shí)刻。B、示波器掃描信號(hào)頻率為共振信號(hào)的整數(shù)倍時(shí)。C、原子核拉摩爾頻率為射頻振蕩頻率的整數(shù)倍。D、射頻振蕩頻率為調(diào)制磁場(chǎng)頻率的整數(shù)倍。5）射頻邊緣振蕩線圈在NMR實(shí)驗(yàn)中的作用：CA、只作高頻磁場(chǎng)的發(fā)射線圈。B、只作共振信號(hào)的接收線圈。C、既作高頻磁場(chǎng)的發(fā)射線圈又作共振信號(hào)的檢測(cè)線圈。D、以利用自差法觀測(cè)共振現(xiàn)象。6）本實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)波方法產(chǎn)生NMR信號(hào)，其調(diào)制磁場(chǎng)的產(chǎn)生裝置是DA、交流電。B、通電的赫姆霍茲線圈C、通電的長(zhǎng)直螺線管。D、通以工作頻率電流的一對(duì)特制線圈。8、思考題1).什么樣的原子核具有核磁矩？什么樣原子核能產(chǎn)生核磁共振？本實(shí)驗(yàn)中的樣品是什么原子核？答：質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為奇數(shù)的原子核具有核磁矩，具有磁矩的核能產(chǎn)生核磁共振，本實(shí)驗(yàn)用的樣品是水和聚四氟乙烯，故為1H和19F2).實(shí)驗(yàn)中不加掃場(chǎng)能否觀察到共振信號(hào)？為什么？答：能，可采用固定磁場(chǎng)大小而改變射頻頻率的辦法實(shí)現(xiàn)，時(shí)產(chǎn)生共振。3).怎樣利用核磁共振測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度？

答：用水做樣品，通過1H的核磁共振來測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。將樣品放入磁場(chǎng)中，測(cè)量發(fā)生共振時(shí)射頻場(chǎng)的頻