核磁共振实验

实验四 核磁共振实验
一、实验目的
１、掌握ＮＭＲ的基本原理和稳态吸收的实验方法。

２、用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象。

３、由共振条件直接测定氢核（１Ｈ）和氟核（１９
Ｆ）的g 因子。

４、学会NMR 方法测定磁场。

５、用内扫描法和移相法计算C U SO 溶液的横向驰豫时间T 。

42二、实验装置
永磁铁，核磁共振仪和探测棒，扫场电源， 100MHz 频率计，２０ＭＨz 双踪示波器，样品若干（１%C U SO 4溶液，１%溶液,甘油，ＨＦ等）（见附录图）
3FeCl 三、实验原理
1、共振吸收：核磁共振（ＮＭＲ）现象是原子核的自旋磁矩在外恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场发生拉莫尔进动，若在垂直于外磁场的平面上施加一交变电磁场，当此交变场频率等于核磁矩绕外场进动的频率时，发生谐振现象。

I μr
，一个总角动量为Ｐ原子核由于作自旋进动而具有磁矩Ｉ的原子核产生的磁矩为：
I p
N I P m e g r
r
2⋅=μN μr ，
g N 为核的朗德因子，是一个因原子核而异的常数。

原子核磁矩的单位为核磁子，N μI I N N I P P g r r h r γμμ=⋅==p
m e 2h
γ５.０５０８２４×１０－２７＝
Ｊ／Ｔ，则，为核的旋磁
比．g N
N
h πμγμγ
2=
h )1()1(+=+=I I g I I N
N I μγμh N =
,故 （１）
对质子数和中子数两者或者其一为奇数的原子核才有核自旋，例：核，等，核内质子数Ｚ和中子数Ｎ均为奇数，质量数Ａ为偶数，其Ｉ＝１；核，核，Ｉ＝
N 14
7H 2
12
1
H 1
1N 15
7．这些核都能产生核磁共振现象。

当核自旋系统处在恒定磁场中时，由于核自旋和磁场Ｂｚ间的相互作用，核能级发生塞曼能级分裂，对氢核Ｉ＝
2
1
，核能级仅分裂成上、下两个能级Ｅ２和Ｅ１，对应的自旋粒子数分别为Ｎ２和Ｎ１，热平衡时ＮE ΔN μ１＞Ｎ２。

塞曼分裂 Ｅ＝g ２－Ｅ１＝Ｂｚ （２）
t B πυ2cos 1若在垂直于Ｂｚ方向上加一个频率为 υ (106～109H ｚ)的射频磁场（Ｂ＜＜Ｂ１ｚ），当射频的量子能量E ΔE Δυh υh N μ= g 与正好相等，即满足Ｂｚ= （３）时,发生能级间的核自旋粒子由E 1到E 的受激吸收跃迁和由E 到E 的受激发射跃迁，由于N 2211>N 2，净结果是从射频磁场吸收能量而产生核磁共振吸收．式（３）为核磁共振条件，此时核自旋系统处于非平衡态．
本实验观察核磁共振吸收信号用扫频法：磁场固定，让射频场的频率连续变化，通过共振区域，当υ=υ0时，出现共振峰．
扫场法：把B 1的υ固定，让Ｂｚ连续变化，通过共振区域． 2、纵向驰豫和横向驰豫．
驰豫过程：核自旋系统，通过自旋和晶格之间的相互作用，以及自旋之间的相互作用，逐步由非平衡态又恢复到平衡态的过程，所经历的时间叫驰豫时间Ｔ．
)(1
01
M M T dt dM z z −=M r 的z 分量M ，热平衡时M
（１） 核磁化强度矢量记为Ｍz z ０．Ｔ1为纵向驰豫时间，是自旋一晶格驰豫时间，越小表示自旋晶格相互作用越强烈，它表明共振核自旋
系统与晶体中其它核交换能量所需的时间．
M r
（２）在ＸＹ平面上投影ＭＸＹ由于在射频场作用下会偏离平衡位置，使ＭＸＹ≠０． 2
max )(T t xy xy e
M M −
=2
0T M dt
dM xy xy −−
=，即．Ｔ２为横向驰豫时间，是自旋－自旋驰豫时间，表明共振
核与邻近核交换能量所需的时间．Ｔ２的减小将使共振吸收谱线宽度增加．若不考虑其它使谱线变宽的因素，则 Ｔt
Δ−=
Δ扫ωωωω)(2
221 ２＝
3、两种方法．
1ω2ω（1）用示波器观察共振信号（示波器采用内扫描方式）．指共振信号三峰等间隔的圆频率，指共振信号二峰合一时的圆频率，扫ω等于市电频率５０乘以２π，即扫ω=50×2π=100πHz ，指三峰等
间隔时共振峰半高宽的时间间隔，它可通过下图１的比例求得：t Δ扫T L X ⋅ms t L Y ms
t L X
10210Δ=
Δ=或t Δ=,即 t Δ(2)用移相法观察。

由于静磁场的不均会使共振峰变宽，故在测量时，必须使样品处在磁场最均匀的地方．磁场和示波器都用同一音频正弦波（５０Ｈz ）进行同步扫描．示波器上看到李萨如图形，示波
器Ｙ轴接共振信号，Ｘ轴接ＲＣ平衡式移相器的输出信号，电位器W1用于移相电位器，W2则用于调幅，
1ω2ωt Δ指二峰在中间的圆频率，指二峰一起移到边缘进的圆频率，通过下图２的比例求得，
扫
ωπ=100Hz ，计算公式同内扫描方法。

Ｔ２的大小反比于盐浓度，Ｔ２小则共振峰宽，此时加在水平方
向的信号是扫场的电压信号，此扫场电压信号在此扫场线圈内产生扫场电流，从而产生一个周期变化的扫场，因为加在线圈上的电压和产生的电流产生
0φ位相差，故用移相法观察．
(3)两种方法的异同．
都是用示波器观察核磁共振信号．内扫法的磁场用音频正弦波扫描，而示波器用内部锯齿波扫描，调节外磁场，示波器上可出现等间隔的共振信号．
移相法的磁场和示波器都用同一个音频正弦波进行同步扫描，示波器上看到的是李萨如图形，但由于接在Ｙ轴的共振信号直接和调制磁场的电流变化有关，磁场大调场线圈两端的电压与其电流间有一定的相位差,故在示波器上出现两个分立的不重合的共振信号。

加上ＲＣ平衡式移相器,恰当调节相移来抵消电流相位的滞后，使示波器上的两个共振信号重合,电位器W1用于移相,而W2则用于调幅,以使示波器Ｘ轴有
恰当的扫描范围。

实验中首先缓慢调节直流磁场,待观察到两个分立的共振信号后,先调W1使两者重合,再仔细调节频率或磁场,使重合的共振信号处在示波器的中央.
四、实验内容
1．按图示将实验仪器连接起来。

.
用示波器观察周期性核磁共振信号,具体操作如下:X 波段开关:①置T/cm 时,用于观察等间距共振信号,水平轴是时间(1～2s μ);②置X/Y 时,用于移相法测量.此时共振信号仍选Y2(/mv),通道Y1(0．5v)作为示波器X 方向(水平轴). Y1接移相器X 轴输出; Y2接共振信号输出
2．测磁场。

先用高斯计估测磁场中心，估计f '0z B 的大小。

h
再把水溶液样品（CUSO4）及线圈固定在探测杆前端，缓缓放入磁体的极隙中央，不要与磁铁相碰。

打开频率计和示波器电源，启动电源箱上的“电源”开关和“扫场电源”开关。

一定要缓慢旋转“频率调节”旋钮，仔细搜索共振信号。

由１Ｈ的gH 因子及B g h f N N ⋅⋅=⋅μN μ，根据公式，分别测量永磁铁
磁场中心，前１cm ，后1cm 的磁场。

一定要共振信号等间隔且至少要有三个以上的峰时才
测，并分析磁场的均匀度，比较与
大小。

（已知gH=5.58569,,）
210z z z B B B ⋅⋅'
0z B 210f f f ⋅⋅0z B 1271005079.5−−⋅×=T J N μs J h ⋅×=−341062607.6μ注:为了从实验中获得最佳信噪比,应使边限电流约为20A,调节信号最大,扫场电场<1v,灵敏度大.. 3．用两种方法计算CUSO4水溶液中水的横向驰豫时间T2（两个T2应相等）。

t
T Δ−=
.).(2
212扫ωωωπ
ω100=扫，Δt 为半高宽间隔 (注意单位换算)。

，
(1) 内扫描法.调节射频频率测f1、f 2、、、Δt ：f1为三峰等间隔时的频率,f 2为二峰合一刚消失时的频率. Δt 为某一峰半高宽间隔.
（2）移相法. 将示波器置X/Y 档，可调节移相器改变共振信号的相对位置，测f1、f 、2、、Δt ： f1为二峰一起在李萨如图形中心时的频率. f2为二峰一起在李萨如图形边缘时的频率. Δt 为二峰在中心时二半高宽间隔的平均值.
（３） 比较两种方法T2的大小,分析误差原因.
4．用HF 溶液计算F 的g 因子,先找到HF 中H 峰的f 并记下,再减少 1.4MHz 左右找F 的f F H F ,根据公式
F
H F H f f
g g =,计算g F ,并与标准值比较,分析误差来源及实验的改进措施. 注意：F 的扫场电压可比H 的略大1.2V ，射频电流略小2~4μA.
5．观察各种样品波形的差异: 溶液,甘油，蛋白,蛋黄.[注:对于T 3FeCl 1较大的样品,因恢复热平衡分布的时间长而容易饱和,在样品制备时需要加入少量含顺磁离子的物质(例, C 3FeCl U SO )以减少T .] 41
五、思考与讨论
（１） 简述核磁共振的原理并回答什么是内扫描法和移相法？ （２） NMR 实验中共用了几种磁场？各起什么作用？
（３） 为什么用核磁共振方法测磁场强度B 的精确度决定于共振频率的测量精度？
（４） 在共振条件附近,微调磁场或射频频率,原重合于示波器中央的共振信号为何向两侧移动?在两侧边缘时相应于什么工作状态?
六、附录实验原理和装置图
图1 观察核磁共振信号原理图。