连续与脉冲核磁共振.pdf

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1、连续与脉冲核磁共振核磁共振技术（NuclearMagneticResonance,简称NMR）是由布洛赫（FelixBloch）和珀塞尔(EdwardPurcell)于1945年分别独立的发明的,此方法能够大大地提高核磁矩测量的精度。此后许多物理家进入此研究领域，使其迅速发展并形成一门新兴的实验技术。核磁共振自发明以来已取得了惊人地发展，如今NMR不仅是一种直接而准确的测量原子核磁矩的方法,而且已成为研究物质微观结构的工具，如研究有机大分子结构，精确测量磁场及固体物质的结构相变，等等。另外，由于这种方法在对样品进行测量时，不会破坏样品，也

2、不会破坏物质的化学平衡态，所以尤其适用于生命机体的研究。核磁共振成像技术已成为检查人体病变方面的有力武器，在生物学、医学、遗传学等领域都有重要应用。核磁共振谱仪按射频场施加的方式不同分为连续波谱仪和脉冲波谱仪。前者射频场连续不断地加到样品上，得到的是频率谱（波谱）；后者射频场以窄脉冲方式加给样品，得到的是时间谱或自由感应衰减信号随时间变化，经傅立叶变换后可转变为频率谱。在本实验中，我们既采用连续波谱仪，也采用脉冲波谱仪。本实验以水中的氢核为主要研究对象，目的在于掌握核磁共振技术的基本原理和观测方法。§1实验原理一、核磁共振的量子力学描述在

3、原子物理中，我们已知原子核中的质子和中子都具有轨道和自旋角动量，因此，原子核的磁矩应该是质子磁矩和中子磁矩的总合。质子带有一个正电荷，其自旋必然导致磁矩的产生，中子虽然不带电，但其内部存在电荷分布，也会产生自旋磁矩，中子的磁矩与其自旋角动量的方向相反。通常，若核内质子数Z与中子数N都为偶数，其质量数A＝Z＋N也为121632偶数，如6C,8O，16S，…等原子核，这类核的自旋量子数I＝0，角动量和核磁矩都为零，在这些原子核中观察不到核磁共振现象；若核内的质子数Z与中子数N都为奇数，则质量28数A＝Z＋N为偶数，这样的原子核的自旋量子数Ｉ为

4、整数，如1H,7N…等，如果核的质731131519311量数也为奇数，则Ｉ为半整数，如3Li核的I=；1H,6C,7N,9F,15P等核的I=，22这几种核是核磁共振实验中最常见的研究对象。自旋量子数为I的原子核，其自旋角动量PI和核磁矩I的大小分别为：PII(I1),（1）egP,INI2mp（2）其中量子数I只能取整数或半整数，即I=0，1/2，1，3/2，…；m为核子质量，g是核pN子的朗德因子，质子和中子的朗德因子是不同，其值很难计算，一般是通过实验方法测得，1g对不同的原子核也有不同的值，它不仅反映了核的不同质

5、量数和电荷数，还反映出核内N部自旋和磁矩的实验关系。上面的两式可合并为：eIgNI(I1)，2mp（3）常定义核磁子为：Ne24N5.049210ergGauss，2mp另一方面，核磁矩与其自旋角动量的比值称为旋磁比：INgN。（4）PI就是说，如果以为核磁矩的单位，为角动量的单位，则旋磁比在数值上等于g。NN自旋量子数不为零的原子核置于静磁场中时，其空间取向会量子化。一个自旋量子数为Ｉ的核，它的角动量及核磁矩在外磁场方向的投影P和的取值分别为：ZZPZmI,ZmI,mII,I

6、1,...,I(5)1式中m称为核的磁量子数。图1给出了I,1两种情况下，核磁距的空间取向量子化情I2形。当原子核处于外磁场B中时，由于核磁矩与外磁场的相互作用使得原子核获得附加能量，即：EIBZBmIB(6)由此可见，具有不同磁量子数的原子核获得的能量是不同的，这就会使原来简并的磁能级发生分裂，即著名的塞曼分裂。由(6)式可知磁能级在外磁场中的分裂是等间距的，其相邻两个磁能级间的能量差是：EB（7）图1核自旋角P动量空间取向量子化示意图。2磁能级之间跃迁的量子力学选择定则为：m1（8）

7、IB所以若在垂直于B的平面内加上一个射频磁场，当其频率f时，处在较低能态的核会2吸收电磁辐射的能量而跃迁到较高能态，这就是量子力学意义上的核磁共振。根据爱因斯坦电磁辐射理论，受激吸收系数与受激辐射系数相等，且爱因斯坦受激辐射系数B与自发辐射系数A之间满足：mm3Bm2c.（9）Am在磁共振中，由于磁能级之间的能量差别很小，即ω很小，因此A与B相比完全可以忽mm略，即自发辐射完全可以忽略，这是磁能级与光频能级间跃迁的不同之处，这也涉及后面要讲的弛豫问题。二、核磁共振的宏观理论在外磁场中核磁矩的取向量子化基础上，布

8、洛赫利用法拉第电磁感应理论，建立了著名的布洛赫方程，用经典力学的观点系统地描述了核磁共振现象，此理论比量子力学的核磁共振理论复杂得多，但它给出的物理图象非常清晰，在解释横向驰豫和设计核磁共振仪