实验报告磁共振技术及核磁共振

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1、磁共振技术及核磁共振材料物理21王介寒2120906020具有磁矩的粒子，例如原子核或电子，在稳恒磁场屮对射频或微波电磁辐射产生共振吸收现象，称为磁共振。它是研究物质与电磁场相互作用，了解物质的微观结构的重要手段之一，这是物理实验的一个重要分支。由于磁共振方法具有能深入物质内部，而又不破坏品本身，并且具有迅速、准确、分辨率高等优点，因此，它发展很快，在物理、化学、生学、医学及它们的边缘学科屮具有广泛的应用。另一方面，磁共振对磁场的精密测量也供了新的技术，做出了重要的贡献。磁共振有多种形式，共振机理也有区别，例如核磁共振，电子自旋共振等，但基本原理和

2、实验方法有许多相似之处。磁共振的理论有经典和呈子两种，它们都能说明磁共振现象的本质，下面主要对fi子理论给予简要介绍。现以核磁共振为例加以说明。根据S子力学，核角动由下式决定：I戶1:7/(/+i)为(1)13h其中，/为核自旋量子数，可取0、1、1、二、…，/z=—,A为普朗克常数。又核自旋2227T磁矩々与戶的关系为P=}p(2)/称旋磁比。现以氢核为例，式(2)可写为A=芦或芦=g/Z.，vV/(/+1)(3)2mPp式中y=g——，e为质子电荷，为质子质量，g为朗德因子，/^=-^=5.050810_27焦耳/特斯拉，称核磁子。当氢核处在

3、外磁场左屮，磁矩在外磁场方向上的投影是量子化的，只能収下列数值，//_=ymh-mg/^lN(4)m=I、/—1、•••—(/—1)、—/称磁量子数。磁矩在静磁场云中具有势能为E=-p-B=(5)对氢核，/=!,故州=±1,即分裂为两个能级，称塞曼能级，如图1(a)所示。两能级22的能量差为A£=gpNB(6)显然，其能量差与外磁场5的大小成正比，见图1(6).由量子力学选择定则，只有/1術=±1，两个能级之间才能发生跃迁，上述塞曼能级之间是满足跃迁选择定则的。现加一频率力V的高频磁场或，或垂直于5,当电磁波能量子Av与塞曼能级间隔相等时，即/?v

4、=A£=g^NB（7）或0）=讲（8）则氢核将吸收能量子Av,从低能=跃迁到高能级^2（m=-丄），这就是核磁共振吸收现象。实际上，实验样品并非单个核，而是由大量核组成的。在热平衡时，处于每一能级的核子数目应服从玻尔兹曼分布。对于&和&两个能级（A<£2），它们的核子数目分别为7^和W2,有N'=exp(―AE~kT当」£«灯时，有TV,kTkT(10)式中，々为玻尔兹曼常数，r为绝对温度，对氢核，在室温r（设r=3O（u），外磁场5二i特斯拉时，AE~kT-7xl0~6（11）这说明两能级的粒子数目相差是很小的。在电磁波激励下，上下能级之间相互跃

5、迁是等几率的，由下往上吸收量子如，由上往下放出能量/zv。但由于'>;v2,所以总的效果表现为样品对高频磁场能量的吸收。由于十分接近于1，未被抵消的吸收能量是很小的，所以核磁共振信号十分微弱。在能级跃迁过程巾，减小，JV2增加，当就观察不到共振吸收信号了。然而，由于核与周围环境的自旋一自旋相互作川和自旋一品格相互作用，发生能量交换，使处于上能级的核丧失能量，回到下能级。当静磁场变化足够慢或高频磁场频率变化足够小时，即在合适的驰豫时间7；和7V倩况下，在实验屮可以连续地观察到共振吸信号。若要核磁共振信号强，上、下能级核子数0相差越大越好。由式（10）

6、可以看出，磁场5越大，N'!N’，：K，磁共振现象越明显。另外，除了需要强磁场外，还要求在样品范围内磁场高度均匀，否则样品内各部分的共振频率不同，对某个频率的电磁波，只有极少数核参与共振，结果信号为噪声干扰所淹没，难以观察到共振信号。核磁共振磁场均匀度要求在10~"以上。核磁共振(NMR)实验1946年，布洛赫(Bloch)和珀塞f(Purcell)分别用感应法和吸收法观察到宏观物体核磁共振现象，为此，他们荣获1952年诺災尔奖。从此，核磁共振成为人们研究物质微结构的重要方法，并获得广泛的应用。目前，核磁共振技术已成为精确测M磁场的重要方法，核磁共

7、振成像技术也已成为医学诊断的有力工具。一、实验原理根据磁共振原理，观察核磁共振现象，需要有一个均匀的磁场否()和一个角频率为仍的旋转磁场戽，总丄艮，并且满足o)=yB{}(1)y=g^iN/h,称为旋磁比。对于氢核，g=5.585，//v=5.0508xl(T27焦耳/特斯拉，A=1.0546xl0_34焦耳•秒，可计算出氢核旋磁比/=267.52兆赫/特斯拉，故5()=2=2.349x1(T2i/特斯拉7(2)式中频率v的单位为兆赫，由式(2)可见，当发生氢核磁共振时，测出旋转磁场或的频率V，就可确定未知磁场或,的人小，这就是NMK方法测S:磁场

8、的原理。根据式(1),观察磁共振吸收信号有两种方法。一种是扫频法，即磁场5()同定，让高频磁场角频率仍连续变化并通过共振区