核磁共振实验

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1、核磁共振实验邱正明一.基本原理自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为:（1）其中：γ为粒子的旋磁比，为约化普朗可常数，B0为稳恒外磁场。如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场，该电磁场的频率为ν，能量为:（2）当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差ΔE时即：（3）低能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。二.实验设备a.样品（sample）水：提供实验用的粒子，

2、氢（H）核。b.永磁铁：提供稳恒外磁场,中心磁感应强度B0约为0.55T。c.边限振荡器：产生射频场,提供一个垂直与稳恒外磁场的高频电磁场，频率。d.同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器，边限振荡器的频率由频率计读出。e.绕在永磁铁外的磁感应线圈：其提供一个叠加在永磁铁上的扫场。f.调压变压器：为磁感应线圈提供50周的扫场电压。g.频率计：读取射频场的频率。h.示波器：观察共振信号。图一一.实验原理由公式（3）可知，为了实现核磁共振有两种实验方法：1．固定外磁场B0，调节高频电磁场频率ν，实现核磁共振，此为扫频法。

3、2．固定高频电磁场频率ν，调节外磁场B0，实现核磁共振，此为扫场法。本实验用的是第二种实验方法，即扫场法。在本实验要测的一个物理量是氢质子的γ因子，由公式（3）可知，只要知道B0，ν即可求得γ，B0在实验设备中已标定（如0.55T），ν可由频率计测出。但是仅此，在本实验中γ是无法用实验求出的。因为本实验中两能级的能量差是一个精确，稳定的量。而实验用的高频振荡器其频率ν只能稳定在103HZ量级。其能量很难固定在这一值上。实际上等式(3)在实验中很难成立。为实现核磁共振，可在永磁铁B0上叠加一个低频交变磁场BmSinωt，即所

4、谓的扫场（ω为市电频率50HZ，远低于高频场的频率ν其约几十MHZ），使氢质子两能级能量差γh（B0+BmSin100πt）有一个连续变化的范围。我们调节射频场的频率ν，使射频场的能量进入这个范围，这样在某一时刻等式=γ（B0+BmSin100πt）总能成立。（见图二）图二此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号。（见图二）由上图可见，当共振信号非等间距时，共振点处的等式为ν=γ（B0+BmSin100πt），BmSin100πt未知。无法利用该等式求出γ值。调节射频场的频率ν使共振信号等间距，共振点处100

5、πt=nπ,BmSin100πt=0，此时的ν为共振信号等间距时的频率，由频率计读出。γ=2πν/B0，γ值可求。（见图三）图三探测装置的工作原理:图一中绕在样品上的线圈是边限震荡器电路的一部分，在非磁共振状态下它处在边限震荡状态（即似振非振的状态），并把电磁能加在样品上,方向与外磁场垂直。当磁共振发生时，样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电路的Q值发生变化，振荡电路产生显著的振荡，在示波器上产生共振信号。核磁共振试验要求和步骤1．观察H(样品水)的核磁共振信号：（记9组数据和图形）a.将边限振荡器的“检波输出”接

6、示波器的“CH1”端，置示波器的“方式”为CH1。b.将边限振荡器的“频率测试”端接多功能计数器的“输入A”。c.将边限震荡器盒上的样品小心地从永磁铁上的插槽放入永磁铁中。（注意不要碰掉样品的铜皮）d.将调压变压器插头接入220V市电插座，输出设为100V。e.打开边限振荡器电源开关，调节“频率调节”旋钮，使示波器上出现共振信号。f.调节调压变压器使其输出为50---100V中的某一值,保持该值不变，记下该值，调节边限振荡器的“频率调节”旋钮，观察示波器上共振波形的变化，任选三个不同的波形画下，记下相应的边限振荡器频率（由

7、频率计读出，计小数点后三位）。g.调节“频率调节”旋钮，将共振信号调成不等间距，保持该频率不变（如频率不稳定可每次调回到该频率值），记下该频率值。h.改变调压器的输出电压VV),观察示波器上共振信号的变化，任选三个不同的电压，画下相应波形，记下相应的V值。i.将共振信号调成等间距,保持该频率不变,记下该频率值。改变调压器的输出电压VV),选三个不同的电压V画下相应波形，记下相应的V值。j.对以上共振信号波形随V，，变化的原因进行讨论。2．测量H的因子和g因子：a.将样品放入永磁铁的磁场最强处（可左右移动边限振荡器铁盒，观察

8、示波器上共振信号波形，当幅值最强波形尾波最多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边所对标尺的刻度值。a.置示波器扫描时间为5ms/div,调节边线振荡器的“频率调节”旋钮使共振信号等间距（间隔为10ms）。b.读频率计，记下此时的频率值。c.将信号调离等间距重复以上b--c步骤（此步骤进行六次，求频率的平