核磁共振基础实验加原理详细介绍

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1、实验四核磁共振对于角动量I（或J）不等于零的粒子，和它相联系的有共线取向的磁矩所对应的状态，其磁矩（）YB誘外场。BU，pYI，Y称为粒子的回磁比。由这样的粒子构成的量子力学体系，在外磁场2B中，能级将发生塞曼分裂，不同磁量子数mM处的空间取向不同，与外磁场Bf间有不同的夹角，并以角频率u进动。能级附加能量为/E（uDmB,相邻能级（Am1）之间的能量差为0AE（u/D若在垂直于。B的平面上，加上一个角频率为o的交变磁场，当其角频率满足AEo,即co与粒子绕外场B进$的角频率o相等时，粒子在相邻塞曼能级之间将发生磁偶极跃迁，磁偶极跃迁的选择定则是

2、m1,这种现象称为磁共振。当考虑的对象是原子核（如Li,F等）时，称为核磁共振710（NaclearMagneficResonance缩写为NMR）;对于电子称为电了•顺磁共振（或电子自旋共振）。由于磁共振发生在射频（核磁共振）和微波（电子顺磁共振）范围，磁共振已成为波谱学的重要组成部分。由磁共振时。Bfno之间的关系可精确测定粒子的回磁比Y，它是研究粒子内部结构的重要参数。1946年，美国Stanford大学的B1och和Hanson与Harvard大学的Purcell和Poimd分别采用射频技术进行了核磁共振实验。由于这一发现。这几位科学家

3、获得了1952年的诺贝尔奖金。近年来，随着科学技术的发展，核磁共振技术在物理、化学、生物、医学等方面得到了广泛的应用。它不但能用于测定核磁矩，研宄核结构。也可以用于分子结构的分析，呙外，利用核磁共振对磁场进行测量和分析也是目前公认的标准方法。如今，在研究物质的微观结构方面形成了一个科学分支一一核磁共振波谱学。核磁共振成像技术己成为检杳人体痫变方面有利的武器。它的应用必将进一步发展。一、实验目的1、通过调试观察核磁共振现象，了解和掌握稳态核磁共振现象的原理和实验方法。2、掌握测定物质的旋磁比，g因子及其磁矩的方法。二、实验原理在凝聚态中，热平衡时，

4、相邻能级上粒子遵从玻尔兹曼分布，即NioyNcxp(AE/KT)20式中角标“r表示上能级。角标“2”表示下能级。角标“0”表示热平衡时值。T为晶核温度。在通常磁场下，由于核磁矩很小，室温时，AEKT，N略小于10N,大约相差百万分之几，核磁共振时。因为受激发射与受激吸收的几率相20等，吸收信号的强弱与上，下能级粒子数之差(n2')有关。对于凝聚态，尽管单位体积中粒子数很多，吸收信号的强弱还与核自旋系统的驰豫过程冇关。所谓驰豫过程，就是表征系统由非平衡状态趋向平衡状态的过程，该过程所经历的时间称为驰豫时间。热平衡时，由于每个粒子的磁矩都绕外场进动

5、，系统的总磁矩。⑽与外场B的方向相同，，的大小可由不同能级上粒子磁矩的大小按玻尔兹曼分布求和得到。假设通过某种途径使系统偏离热平衡态。宏观上表现为系统总磁矩M在实验室坐标系的三个方向上的分量为MxzMyM。这吋自旋系统恢复到热平衡态。一是通过与晶格交换能量使由上、下能级粒子数分布根据下式N2/N}exp(AE/KTS)所确定的自旋体系的温度T最终与晶格的温度T相等。粒子恢复到玻尔兹曼分布。M最终等于sM，’即dMzMzMo此过程称为自旋一一晶格驰豫。上式中，T反映了系统纵向磁矩zM趋向热平衡值时速度的快慢，称为纵向驰豫时间。在自旋系统中，还存在男

6、一种自旋自旋驰豫过程，称为自旋一一自旋相互作用。它不改变自旋粒子体系各能级上粒子数。即不改变自旋系统的总能量。但使系统总磁矩在x、y方向上的分量M和M逐渐趋向于热平衡值。它遵从下式，ydM/cltM/T2yyzdMx/dtMx/T2，则其式中T称为横向驰豫时间。实际上，在核磁共振中，上述的共振吸收与驰豫过程是同时进行。通过共振吸收，粒子数偏离平衡态分布。另一方面又通过驰豫回到热平衡态。当这两个过程达到动态平衡时，出现稳定的吸收信号，称为稳态核磁共振吸收谱。根据经典电磁理论，假设原子核的电荷密度为，质量密度为磁矩与角动量P分别知:pivP0(ru)

7、dv2epvP(r)(rU)dv若原子核分布均匀，也就是处成比例。即PJ为原子核电荷，ni为核质量)，则N(1)ep2mnpW尔为旋磁比。可以用核磁共振等实验方法测得。实验证明，式(1)与实验不符，需引进一个g因子，则式(1)可写成gcp2mnYP上式中旋磁比Yge/(2m)。g叫朗德因子，是个无量纲的比例系数，对于氢核N来讲，g=5.5851c对质子来讲。对应于玻尔核子可引入核磁子u」一50507871027n2mPj/t作为核磁矩的单位。式中pm为质子质量。由fm比电子质量1836倍，所以核磁子比玻尔磁子小1836倍。这样原子核的磁矩u可写成

8、卩gN—P!YRI式中卜

9、HNY-j^igN—称为原子核的旋磁比。它和朗德因子g—样，也是一个反映核结构的常数，由N此所以核磁矩U的值为