核磁共振的稳态吸收实验
核磁共振实验报告电子版
核磁共振实验报告04级11系姓名：徐文松学号：PB04210414 日期：2006.05.12CONTENTS OF THIS REPORT（Click while press CTRL to locate it）return核磁共振return1．观察核磁共振稳态吸收现象；2．掌握和磁共振基本试验原理和方法；值和g因子。
3．测量1H和19F的return1．核自旋原子核具有自旋，其自旋角动量为h I I p )1(1+=其中I 是核自旋量子数，其值为半整数或整数。
当质子数和质量数均为偶数时，I=0，当质量数为偶数而质子数为奇数时，I=0,1,2…，当质量数为奇数时，I=2n（n=1，3,5…）． 2．核磁矩原子核带有电荷，因而具有子旋磁矩，其大小为)1(211+==I I g p m egN NμμN N m eh2=μ式中g 为核的朗德因子，对质子，g ＝5.586，Nm 为原子核质量，N μ为核磁子，N μ＝227100509.5m A ⋅⨯-，令gm e N 2=γ显然有I I p γμ= γ称为核的旋磁比。
3．核磁矩在外磁场中的能量核自旋磁矩在外磁场中会进动。
进动的角频率00B γω=B 为外恒定磁场。
４．核磁共振实现核磁共振，必须有一个稳恒的外磁场OB 及一个与OB 和总磁矩m 所组成的平面相垂直的旋转磁场1B ，当1B 的角频率等于ω时，旋转磁场的能量为E h ∆=0ω，则核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振。
此时应满足00B h g h E N μω==∆00B γω=h 为普朗克常数。
改变OB 或ω都会使信号位置发生相对移动，当共振信号间距相等重复频率为f π4时，表示共振发生在调制磁场的相位为02=ft π，π，π2，… 此时，若已知样品的γ，测出对于能够的射频场频率ν，即可算出OB 。
反之测出OB ，可算出γ和g 因子。
本次实验的装置包括电磁铁、边限振荡器、探头及样品、频率计、示波器及移相器等。
核磁共振实验报告
学号：XXXX 姓名：XXX 班别：XXXX 报告仅供参考，抄袭有风险，切记
【实验内容】
（1） 将装有 H 核样品的玻璃管插入振荡线圈中并放置在磁铁的中心位置，使振荡线圈 轴线与稳恒磁场方向相互垂直。 （2） 调节适当的扫场强度，缓慢调节射频场的频率，搜索 NMR 信号。 （3） 分别改变射频场的强度、频率，观察记录吸收信号幅度的变化；改变样品在磁场中 的位置观察磁场均匀度对吸收波形的影响；改变扫场，观察记录吸收信号幅度的变 化；找出最佳实验观测状态，并采用吸收峰等间距的方法观测共振吸收信号。分别 将相关图形用数字示波器采集到 U 盘中 （4） 由数字频率计测量射频场的频率 ，用高斯计测量样品所在处的稳恒磁场强度 B。 （5） 有所得数据计算 、朗德因子 g N 和磁矩 I （6）
150
3.52E-4
3.22E-4
100
100
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9.84E-4 0.00138 0.00167 0.00214 0.00238 0.00329 0.00362 0.00277
50
9.6E-4 0.00128 0.00153 0.00196 0.00265
U
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E=
=
【分析】 ： ①实验时较难找出共振点， 故须慢慢旋转射频边限振荡器上的频率旋扭,同时仔细
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观察示波器上的信号,当巨大的噪声背景中出现一明显的突变,且该突变在扫描电压信号一 个周期的范围内仅出现三处,这时则找到了核磁共振信号。 最后在该频率位置反复细调,直到 核磁共振信号非常明显。 ②产生误差的原因有主观原因及客观： 主观原因为在判断是否等间距时存在主观的误差。 客 观原因有二：一为实验过程中有多组实验同时展开，各仪器之间存在较大干扰；二是样品未 能精确地放置于磁场中心，即未能使样品置于均匀磁场下。 （三）核磁共振弛豫时间 弛豫过程是由于物质间相互作用产生的， 发生核磁共振的前提是核自旋体系磁能级间自旋粒 子数差不为零， 而核磁共振本身是以粒子数差 n 按指数规律下降为代价的， 由于共振吸引， 系统处于非平衡态， 系统由非平衡态过渡到平衡态的过程叫弛豫过程， 弛豫是与射频场诱导 跃迁相反的机制，当两者的作用处于动态平衡时，可观察到稳定的共振信号。弛豫因涉及磁 化强度的纵向和横向分量, 因而可分为纵向弛豫和横向弛豫，纵向弛豫起因于自旋- 晶格之 间的相互作用，纵向弛豫时间 T1 反映自旋系统粒子数差从非平衡态恢复到平衡态的特征时 间常数， T1 越短表明自旋- 晶格相互作用越强。 横向弛豫 T2 源于自旋-自旋之间的相互作用， 横向弛豫时间表征了由于非平衡态进动相位相关产生的不为零的磁化强度横向分量恢复到 平衡态时相位无关的特征时间常数。 （1）实验中可通过尾波法测量样品的共振横向弛豫时间 T2 分别测量两个样品的横向弛豫时间 T2，两样品共振信号如下图所示：
十核磁共振的稳定吸收
v
v v E = −µ ⋅ B = −µ z ⋅ B = − g ⋅ µ N ⋅ m ⋅ B
任何两个能级之间的能量差为
∆E = E m1 − E m 2 = − g ⋅ µ N ⋅ B ⋅ (m1 − m2 )
（5）
图2-1 氢核能级在磁场中的分裂
考虑最简单的情况， 对氢核而言， 自旋量子数 I =
gµ N B0 N2 = 1− N1 kT
（10）
3
上式说明，低能级上的核数目比高能级上的核数目略微多一点。对氢核来说，如果实验温度
T = 300 K ，外磁场 B0 = 1T ，则
N2 N − N2 = 1 − 6.75 × 10 − 6 或 1 ≈ 7 × 10 −6 N1 N1
这说明，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出 7 个。这就是说，在 低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个核中只有 7 个核的核磁共振吸收未被共振辐射所抵 消。所以核磁共振信号非常微弱，检测如此微弱的信号，需要高质量的接收器。 由式（10）可以看出，温度越高，粒子差数越小，对观察核磁共振信号越不利。外磁场 B0 越强，粒子差数越大，越有利于观察核磁共振信号。一般核磁共振实验要求磁场强一些，其 原因就在这里。 另外，要想观察到核磁共振信号，仅仅磁场强一些还不够，磁场在样品范围内还应高度 均匀，否则磁场多么强也观察不到核磁共振信号。原因之一是，核磁共振信号由式（7）决定， 如果磁场不均匀，则样品内各部分的共振频率不同。对某个频率的电磁波，将只有少数核参 与共振，结果信号被噪声所淹没，难以观察到核磁共振信号。 2．检测原理 核磁共振实验仪主要包括磁铁及调场线圈、探头与样品、边限振荡器、磁场扫描电源、 频率计及示波器。实验装置图如图 2 所示：
核磁共振的稳态吸收实验研究
第 ６卷
第 ４期
实 验 科 学 与 技 术
・ｌ ・ ９
核 磁 共 振 的 稳 态 吸 收 实 验 研 究
潘 志方
（ 庆 学 院物 理 系 ，广 东 肇 庆 肇 ５ ６６ ） ２ ０ １
摘要 ：近代物理 实验是 为大学高年级学生开设 的综合性 实验课 ，对学生加 深有 关物理概 念 ，规律 的理 解 ，活跃 物理 思想 ， 掌握一些较先进 的实验 方法和技 能以及培养科研能力等有着重要作 用。为提 高近代物理 实验教 学质量 ，文章介 绍 了所采取 的 多种 实验教 学手段 和实验方式 ，并着重介绍 了核磁共振稳态吸收 实验的 简易操作方法 。
ｅ ｓ ｐ ｒ ｔ ｇ ｍｅｈ ｏ ｔａ ｙ ｓ ｔ ａ ｙ ｏ ｅ ａｉ ｔｏ ｆｒ ｓ ｄ —ｔ ｅ ＮＭＲ ａ ｓｍｉ ｔ ｎ ｅ ｐ ｒ ｎ． ｎ ｄ ｅ ａ ｉ ｌ ｉ ｘ ｉ ｓ ａｏ ｅ ｍｅ ｔ
Ｋｅ ｏ ｄ ｙ ｗ ｒ ｓ： ｍｏ ｅ ｈ ｓｃ ｘ ｒｍｅ ｔ ＮＭ Ｒ ； ｓｅ ｄ ｓａ ｅ ａ ｓｍｉａｉ ｎ； ｇ ｆｃ ｏ ｄ ｒ ｐ ｙ ｉ ｓｅ ｐｅ ｎ ｉ ｎ； ｔａ ｙ—ｔｔ ｓｉ ｌ ｔｏ ａ ｔｒ； ｎ ｃ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｍｏ ｅ ｔ ｕ ｌ ａ ｇ ｅ ｉ ｍ ｎ
一
用于原子核系统 ，以观察 Ｎ Ｒ波谱 ；（ ） 瞬态法 Ｍ ２ （ 即脉 冲波法） ，用 脉冲的强射 频场作用 于原 子核 系统 ，以观察核磁矩弛豫过程的 自由感应现象。本 实验讨 论 Ｎ ＭＲ 的稳 态 吸 收 ，要 求 学 生 掌 握 Ｎ ＭＲ
１ 引 言
近 代物理 实 验是 为大学 高 年级 学生开 设 的一 门 非 常重要 的综 合性 实验 课 。它所 开设 的实 验项 目以
实验思考题答案
大学物理近代实验思考题一1．夫兰克－赫兹实验测出的汞原子的第一激发电位的大小与F－H管的温度有无关系？为什么？答：夫兰克赫兹实验所测出的汞原子的第一激发电位与F－H管的温度是没有关系的。
因为虽然当温度升高，会使管内的热电子数量增加，从而导致曲线峰电流增大，曲线位置受影响向上移动，但是Vg是一定的，汞的第一激发电位为4.9V不变。
即：由汞原子能级的结构决定了第一激发电位。
2．在夫兰克－赫兹实验中，为什么IA－UGK曲线的波峰和波谷有一定的宽度？答: 因灯丝发射的电子初动能存在一个分布，且灯丝发射的电子其能量分散小于零点几个电子伏特；电子加速后的动能也存在一个分布，这就是峰电流和谷电流存在一定宽度的原因。
3:为什么IA－UGK曲线的波谷电流不等于零，并且随着UGK的增大而升高？答：1.波谷电流不为零是因为：电子在栅极附近跟汞原子发生碰撞存在一定的几率，因此总有部分电子没和汞原子发生碰撞而直接到达A 级从而形成电流。
故其不为0。
2.波谷电流随着UGK的增大而升高是因：随着UGK的增大，在栅极附近没和汞原子发生碰撞，而直接到达A级形成电流的电子数量会不断增多，从而使波谷电流增大。
4题分析，当电子管的灯丝电压变化时，IA－UGK曲线应有何变化？为什么？答：若电子管的灯丝电压变大时，电子动能也会变大，从而使得电子为第一激发势时还有剩余动能；与汞原子碰撞之后剩余的能量越多，能够克服拒斥电场到达A极的电子就会越多，而极板间电流也就越大，所以在汞的第一激发势固定为Vg间隔时，曲线越尖锐。
反之亦然！5题：电子管内的空间电位是如何分布的？板极与栅极之间的反向拒斥电压起什么作用？答：电子馆内的电位分布为：Vk>VG1=VG2>VA；反向拒斥电压的作用为：挑选能量大于UGA的电子，从而冲过拒斥电压形成通过电流计的电流。
6题：RE:在夫兰克-赫兹实验中，提高灯丝电压，IA-UG2A会有什么变化？为什么？若提高拒斥电压，IA-UG2A会有什么变化？为什么？答：提高灯丝电压，电子获得的动能增加，电子数增加，克服拒斥电压后将有较多电子形成电流，所以曲线电流幅度加大；而拒斥电压增加，能克服它的电子数将减少，电流也减小，所以曲线幅度也就减小了。
核磁共振实验 实验原理
核磁共振实验 实验原理、数据记录及数据处理实验目的：1、观察核磁共振稳态吸收现象2、掌握核磁共振的实验原理和方法3、测量1H 的γ因子和g 因子实验仪器：核磁共振实验仪、频率计、示波器。
实验原理：1、核在磁场中的拉莫尔旋进（1）角动量与磁矩。
原子中电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 会分别产生轨道磁矩L μ和自旋磁矩S μ：2L L e eP m μ=-，S S e e P m μ=-。
上两式中e 和e m 电子的电量数值和电子的质量，负号表示电子的磁矩与角动量方向相反（由于电子带负电）。
而L P与S P的总角动量引起相应的电子总磁矩 2J J ee gP m μ=-式中g 是朗德因子，其大小与原子的结构有关。
同理核自旋角动量I P 与核磁矩I μ的关系为2I NI Pe g P m μ=（N g 为核的朗德因子，P m若引入核磁子2N Pe m μ=，则N I NI g P μμ=。
为了表示的方便，令：NN g μγ=（称为回磁比系数），则I I P μγ=。
所以，在Z 方向有：Z Z P μγ=由量子力学可知Z P m = ，所以Z m μγ= （2）磁矩在磁场中的拉莫尔旋进由经典力学可知，磁矩为μ的微观粒子在恒定外磁场0B 中受到一力矩L 的作用：0L B μ=⨯。
而力矩的作用使粒子的角动量发生变化，即dPL dt= 。
所以 00000sin sin B dP d P d d L B B B dt dt dtdt B μγμμγγγμγμθγμθμ⨯====⨯=⇒=⨯设磁矩旋进的角频率为0w ，则 0sin d w dt μμθ= 所以00w B γ=。
2、磁共振的条件若外加射频磁场的角频率w 与核旋进频率0w 相同时，核磁矩将和外辐射场发生能量交换，从而发生共振。
3、共振信号的检测由于谱线有宽度，且宽度很窄，检测信号时很难使得0w w =，为此有两种方法可以解决这一问题： （1）扫频法，即恒定的磁场0B 固定不变（核拉莫尔旋进角频率0w 不变），连续改变辐射的角频率w ，在w 变化的区域内，若满足0w w =，便产生共振峰。
核磁共振实验报告-中科大学生作-请自行参考
核磁共振系别：11系 学号：PB06210381 姓名：赵海波实验目的：观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验基本原理和方法，测量H 1和F 19的γ值和g 因子。
实验原理： 1．核自旋原子核具有自旋，其自旋角动量为h I I p )1(1+=（1）其中I 是核自旋量子数，其值为半整数或整数。
当质子数和质量数均为偶数时，I=0，当质量数为偶数而质子数为奇数时，I=0,1,2…，当质量数为奇数时，I=2n （n=1，3,5…）．2．核磁矩原子核带有电荷，因而具有子旋磁矩，其大小为)1(211+==I I g p m egN Nμμ （2）NN m eh2=μ （3）式中g 为核的朗德因子，对质子，g ＝5.586，N m 为原子核质量，N μ为核磁子，N μ＝227100509.5m A ⋅⨯-，令g m eN2=γ （4）显然有I I p γμ=（5）γ称为核的旋磁比。
3．核磁矩在外磁场中的能量核自旋磁矩在外磁场中会进动。
进动的角频率00B γω=（6）0B 为外恒定磁场。
表2.3.1-1列出了一些原子核的自旋量子数、磁矩和进动频率。
核自旋角动量I p 的空间的取向是量子化的。
设z 轴沿O B 方向，I p 在z 方向分量只能取mh p Iz = （m=I ，I-1，…，-I+1，-I ） （7）Iz Iz p γμ=（8）则核磁矩所具有的势能为000mB h B B E Iz I γμμ-=-=⋅-=（9）对于氢核（H 1），Ｉ＝21，m ＝21 ，021B h E γ =，两能级之间的能量差为000B g B h h E N μγω===∆（10）E ∆正比于O B ，由于N m 约等于电子质量的18401，故在同样的外磁场O B 中，核能级裂距约为电子自旋能级裂距的18401，这表明核磁共振信号比电子自旋共振信号弱的多，观测起来更困难。
４．核磁共振实现核磁共振，必须有一个稳恒的外磁场O B 及一个与O B 和总磁矩m 所组成的平面相垂直的旋转磁场1B ，当1B 的角频率等于0ω时，旋转磁场的能量为E h ∆=0ω，则核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振。
核磁共振实验报告-中科大学生作-请自行参考
核磁共振系别：11系 学号：PB06210381 姓名：赵海波实验目的：观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验基本原理和方法，测量H 1和F 19的γ值和g 因子。
实验原理： 1．核自旋原子核具有自旋，其自旋角动量为h I I p )1(1+=（1）其中I 是核自旋量子数，其值为半整数或整数。
当质子数和质量数均为偶数时，I=0，当质量数为偶数而质子数为奇数时，I=0,1,2…，当质量数为奇数时，I=2n （n=1，3,5…）．2．核磁矩原子核带有电荷，因而具有子旋磁矩，其大小为)1(211+==I I g p m egN Nμμ （2）NN m eh2=μ （3）式中g 为核的朗德因子，对质子，g ＝5.586，N m 为原子核质量，N μ为核磁子，N μ＝227100509.5m A ⋅⨯-，令g m eN2=γ （4）显然有I I p γμ=（5）γ称为核的旋磁比。
3．核磁矩在外磁场中的能量核自旋磁矩在外磁场中会进动。
进动的角频率00B γω=（6）0B 为外恒定磁场。
表2.3.1-1列出了一些原子核的自旋量子数、磁矩和进动频率。
核自旋角动量I p 的空间的取向是量子化的。
设z 轴沿O B 方向，I p 在z 方向分量只能取mh p Iz = （m=I ，I-1，…，-I+1，-I ） （7）Iz Iz p γμ=（8）则核磁矩所具有的势能为000mB h B B E Iz I γμμ-=-=⋅-=（9）对于氢核（H 1），Ｉ＝21，m ＝21 ，021B h E γ =，两能级之间的能量差为000B g B h h E N μγω===∆（10）E ∆正比于O B ，由于N m 约等于电子质量的18401，故在同样的外磁场O B 中，核能级裂距约为电子自旋能级裂距的18401，这表明核磁共振信号比电子自旋共振信号弱的多，观测起来更困难。
４．核磁共振实现核磁共振，必须有一个稳恒的外磁场O B 及一个与O B 和总磁矩m 所组成的平面相垂直的旋转磁场1B ，当1B 的角频率等于0ω时，旋转磁场的能量为E h ∆=0ω，则核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振。
核磁共振实验报告
核磁共振实验报告姓名：任宇星 班级：F1407204（致远物理） 学号：5140729003指导老师：杨文明 实验日期：2016.5.6一、 实验目的1•了解核磁共振基本原理；2 •观察核磁共振稳态吸收信号及尾波信号；3 .用核磁共振法校准恒定磁场B 0;4•测量朗德因子g o二、 实验仪器数字频率计、示波器、永久磁铁、扫场线圈、探头（含电路盒和样品盒）、 可调变压器、220 V/6 V 变压器、NM120台式核磁共振成像仪；聚四氟乙烯、水（掺有杂质）、食用油、乙醇、纯净水样品。
三、实验原理1、核磁共振原理及条件原子的总磁矩卩j 和总角动量P 存在如下关系：其中g 为朗德因子，卩B 为波尔磁子，丫为原子的旋磁比。
对于自旋不为0的粒子，原子的总磁矩卩j 和总角动量P 也存在上述关系。
按照量子理论，原子核存在核自旋和核磁矩，在外磁场B 中能级将发生赛 曼分裂。
记相邻能级间具有能量差 4E,当有外界条件提供与目同的磁能时， 将引起相邻赛曼能级之间的磁偶极跃迁。
如果向赛曼能级的能量差为4E = 型的氢核发射能量为E= hv 的光子，当2 n吸收跃迁现象称为“核磁共振”从中，我们也可以看出，核磁共振发生的 条件是电磁波的频率为3 = Y BY B h 2n=hv 时，氢核将吸收这个光子, 由低塞曼能级跃迁到高塞曼能级 这种共振2、用扫场法产生核磁共振在实验中要使4E= 驾=hv并不是那么容易的。
主要原因是外磁场不容易控制在一个特定的值。
因此我们可以在一个永磁体B o上叠加一个低频交流磁场B=Bsin泌使氢原子能级能量差2?? (B0+ Bmsin①»有一个可以调节的变化区间。
我们调节射频场的频率v使射频场的能量hv处于上述区间，这样在某一瞬间Y? __hv=—(B0 + Bmsin wt即可成立。
从而可以通过读取共振时对应频率得到本征频率。
B —+ 3* cosCJfOms3、自旋回波自旋回波(Spin Echo)是射频脉冲与静磁场中核磁矩体系相互作用的结果。
核磁共振稳态吸收的新用法
3
3. 1
实际测量结果
稳态吸收测量横向弛豫时间 T 2
实际观察时是采用示波器接收, 对样品硫酸铜溶液用弱辐 射场作用 , 可得到如图 2 所示图形, 由于扫描通过共振区时间 不满足远大于驰豫时间, 也即扫场速度不够缓慢, 以致磁化强 度 M 未能紧跟磁场的变化, 在共振区后出现摆动尾波 . 调节 仪器使尾波最小 , 立即把信号采集到电脑存盘 . 示波器所示为时域信号 , 用计算机专用软件对已存盘的 时域信号进行傅立叶变换得到图 3 所示频域信号. 由式 ( 7) , 测定吸收峰的半高宽 = T 2 / 2, 可求出样品的横向弛豫时 间 T 2 , 利用位图对图 2 进行精确坐标测量得到 : T 2= 2 = 12. 75 ms. ( 4)
因为影响线宽的因素是多种多样的 , 除了谱线的自然宽 度外 , 样品所处的位置附近的恒定磁场 B 0 不均匀将会改变谱线宽度从而增大误差 [ 5] ; 另外就是测量中扫场 是按正弦规律变化而不是线性变化的, 这也会给测得的线宽带来误差; 测量原理中要求射频场趋于无穷小, 该条件我们这里也很难达到. 如果这些条件能够得到改善 , 必将大大提高此种方法测量 T 2 的精度 , 缩小和 传统方法测得结果的差距 .
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] 陈 萍 , 萧湘生 , 董
考
文
献
刘庄武 , 王祖铨 . 改进核磁共振实验教学和装置的几点考虑 [ J ] . 大学物理 , 1996, 15( 5) : 40 41. 生 , 等 . 肺癌横向弛豫时间的实验研究 [ J ] . 中国医学计算机成像杂志 , 1995, 1( 2) : 99 102. 侯淑莲 , 谢寰彤 . 医学影像原理与实验 [ M ] . 北京 : 人民卫生出版社 , 2007. 林木欣 , 熊予莹 , 高长连 , 等 . 近代物理实验教程 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 2000. 赵平华 , 于 涛 . 核磁共振弛豫时间和磁场均匀性的研究 [ J ] . 长春师范学院学报 , 2007, 26( 1) : 36 38. 李潮锐 . 自旋回波的简易观测方法及共振弛豫分析[ J] . 物理实验 , 2006, 26( 4) : 3 5.
核磁共振的稳态吸收
核磁共振的稳定吸收
一、实验原理
核磁共振指处于静磁场中的核自旋体系，当其拉莫尔进动频率与作用于该体系的射频场频率相等时，所发生的吸收电磁波的现象。
带正电荷的原子核自转时具有磁性，它在磁场的赤道平面因受到力矩作用而发生偏转，其结果是核磁矩绕着磁场方向转动，这就是拉莫尔进动（或拉莫尔旋进）。
由于核磁矩有与磁场取向倾于平行的规律，经过一定时间，自旋核不再受到力矩的作用，拉莫尔进动也就停止。
如在垂直磁场的方向上加进一个与进动频率相同的射频场，核磁矩便会离开平衡位置，拉莫尔进动又重新开始。
核“自转”的速度是不变的，只要磁场强度不变，拉莫尔频率自始至终也不会改变。
某一种磁核的磁矩在磁场中可取顺磁场方向（属于低能态），也可取逆磁场方向（属于高能态）。
如果在垂直于磁场的方向加进一个射频场，当射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时，处于低能态的核子便吸收射频能，从低能态跃迁到高能态，此为“核磁共振”现象。
当射频中断时，原子核就把吸收的能量释放出来，释放的强度是它们各自特征性的标志，即其正常（健康）状态的一种印记。
根据这一原理研制的“核磁共振扫描”（简称NMR），是一种新型的断层显像技术，可用于许多物体结构的测定，如化合物结构高分子化合物结晶度，高分子链立体构型成分，药物成分，生物大分子的结构，药物与生物大分子、细胞受体之间的相互作用，生物活体组织含水量，癌症诊断，人体NMR断层扫描（NMR-CT）等。
二、实验装置
五、思考题。
核磁共振 (21)
实验报告李彬 PB06210107实验题目：核磁共振实验目的：观察核磁共振稳态吸收现象，掌握和磁共振基本试验原理和方法，测量1H 和19F 的γ值和g 因子。
实验原理： 1.核自旋：原子核具有自旋，其自旋角动量为：其中I 是自旋量子数，其值为伴整数或整数。
2.核磁矩：原子带有电荷，因而具有自旋磁矩，其大小为2I I negp g m μμ==121836N B p e m μμ==h 式中g 为朗德因子，对质子， 5.586g =，N m 为原子核质量，N μ为核磁子，2725.050910N A m μ-=⨯g ，令2Nqg m γ=显然有I I p μγ=，γ称为核的旋磁比。
3.核磁矩在外场中的能量：和自旋磁矩在外场中会进动，进动角频率00B ωγ=，0B 为外恒定磁场。
核自旋角动量I p 的空间取向是量子化的。
设z 轴沿0B 方向，I p 在z 方向分量只能取Iz p m =h(,1,...,1,)m I I I I =--+-Iz Iz p μγ=则核磁矩所具有的势能为I P =000I Iz E B B mB μμγ=-=-=-g h对于氢核10111(),,,222H I m E mB γ==±=m h ，两能级之间的能量差为000N E B g B ωγμ∆===h h4.核磁共振：实现核磁共振，必须有一个稳恒的外场0B 及一个与0B 和总磁矩m 所组成的平面相垂直的旋转磁场1B ，当1B 的角频率等于0ω时，旋转磁场的能量为0E ω=∆h ，则核吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生和磁共振。
此时应满足：00N E g B ωμ∆==h hNgμγ=h00B ωγ=数据处理：1．观察1()H 的核磁共振信号（图像见坐标纸）:(1)固定电压调节射频场的频率：如图所示,当B 0恒定时，通过低频调制场的作用磁场B 以B 0为中心作周期性振动，当γω=B 时，会发生共振，调节射频场的频率ｆ可以改变射频场的周期T ，使得B 扫过共振幅度的时间间隔发生变化，因此示波器所显示的信号间距∆发生变化，ｆ增加，T 减小，∆减小。
核磁共振的稳态吸收实验
式中N1为低能级上的核数目，N2为高能级上的核数目， 为上下能级间的能量差，ｋ为玻尔兹曼常数，Ｔ为绝对温度。当 时，上式可以近似写成
（2—10）
上式说明，低能级上的核数目比高能级上的核数目略微多一点。对氢核来说，如果实验温度 T=300K，外磁场B0=1T，则
这说明，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出７个。这就是说，在低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个核中只有７个核的核磁共振吸收未被共振辐射所抵消。所以核磁共振信号非常微弱，检测如此微弱的信号，需要高质量的接收器。
由式(2—10)可以看出，温度越高，粒子差数越小，对观察核磁共振信号越不利。外磁场 越强，粒子差数越大，越有别于观察核磁共振信号。一般核磁共振实验要求磁场强一些，其原因就在这里
另外，要想观察到核磁共振信号，仅仅磁场强一些还不够，磁场在样品范围内还应高度均匀，否则磁场多么强也观察不到核磁共振信号。原因之一是，核磁共振信号由式（2—7）决定，如果磁场不均匀，则样品内各部分的共振频率不同。对某个频率的电磁波，将只有少数核参与共振，结果信号被噪声所淹没，难以观察到核磁共振信号。
3、用核磁共振测磁场强度
二、实验原理
1．单个核的磁共振
通常将原子核的总磁矩在其角动量 方向上的投影 称为核磁矩，它们之间的关系通常写成
式中 称为旋磁比； 为电子电荷； 为质子质量； 为朗德因子。对氢核来说，
按照量子力学，原子核角动量的大小由下式决定
式中 ， 为普朗克常数。I为核的自旋量子数，可以取 对氢核来说
2.扫场法合扫频法各有什么特点？本实验那些过程使用扫频法？
三、仪器与装置
核磁共振实验仪主要包括磁铁及调场线圈、探头与样品、边限振荡器、磁场扫描电源、频率计及示波器。实验装置如图（2—7）所示：
核磁共振的稳态吸收
嘉应学院物理系普通物理实验学生实验报告实验项目：核磁共振的稳态吸收实验地点：班级：姓名：座号：实验时间：年月日一、实验目的：1．了解核磁共振的基本原理及其实验现象2．掌握利用稳态吸收法测量核的回磁比和核磁矩的方法二、实验仪器和用具：由电磁铁．扫描线圈．50Hz 的交流电源．边线振荡器．探头．样品．频率计．示波器．特斯拉计等几部分组成三、实验原理：（一）磁场对磁矩的作用由上述介绍可知：具有核磁矩的原子核，在一个稳恒磁场0B 和一个旋转的弱磁场1B的作用下，当弱磁场1B 的旋转频率ω等于磁矩的旋进频率0ω时，原子核就会从磁场1B中吸收能量，使自己的能量增加，发生核磁共振现象，其条件可以表示为：实验中分别测出ω和0B 大小，则可以算出旋磁比γ，由因为Ig μγ=则可以求出朗德因子g ，再根据公式)1(+==I I P I I γγμ＝)1(+I I g N μ当若将原子核置于外磁场0B 中，磁矩在0B的作用下进动，同理磁矩的在磁场方向上的分量z μ也是量子化的，只能取以下数值：m g m N z μγμ== I I I I m -+--=,1,,1, ，为磁量子数。
其最大值为： I g m N z μγμ== max )(，我们通常说的原子核磁矩就是指此最大值，对某原子核其自旋量子数I 是确定的，利用此式则可以求出磁矩；例对于最简单的情况氢核则：＝（（二）核磁共振信号的观测 1． 实现核磁共振的方法：由核磁共振产生的条件00B γωω==可知，可用两种方法实现核磁共振，即保持磁场0B不变，改变旋转磁场的频率0ω称为扫频法和保持旋转磁场的频率0ω，改变扫描磁场的值称为扫场法，本实验采用扫频法。
2． 对稳恒磁场的要求由核磁共振产生的条件00B γωω==还可以看出，对于一定的磁场，其共振频率为一确定值，即属于点共振；但由于共振信号有一定的宽度，同时也为了便于观察，实验时要在稳恒磁场0B 上加一个低频扫描调制磁调制磁场m B ＝t B m ωsin 0，此时样品所在的磁场为0B ＋m B，由于调制磁场的幅值较小，磁场的方向仍然保持不变，只是磁场的幅值按调制磁场的频率呈现周期性变化，相应的拉莫尔进动的频率0ω发生变化，即)(00m B B+=γω。
核磁共振的稳态吸收
实验数据记录：1、作B 0-ν曲线，用直线拟合法求γ和g根据数据，做出B 0-ν曲线，如下图Linear model Poly1: f(x) = p1*x + p2Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = 30.59 (16.87, 44.31) p2 = -72.86 (-227.5, 81.78)由上可知，拟合直线的斜率为30.59，即2π/γ=30.59×10-3T/MHz根据公式B 0=2πν/γ，代入数据得： γ=2.05×102MHz/T 根据公式γ=g(2πμN /h)，其中μN =3.1524515×10-14 MeVT -1，代入数据得： g=0.69频率ν(MHz) 电流I0(A) 电流I 扫(A) 磁场B 0(mT)11.126 1.707 0.78 266.6 11.166 1.713 0.781 269 11.284 1.733 0.78 273.5 11.343 1.744 0.78274.52、B0 和B1的作用是什么？它们有什么区别？B0 的作用是提供稳恒磁场，为核自旋塞曼分裂提供条件，B1是旋转磁场，它的方向与稳恒磁场垂直，作用是使能级较低处的粒子能够吸收能量从而往上跃迁，即共振。
二者区别是B0 是稳恒磁场，，B1是交流电通过边限振荡器产生的旋转磁场，方向在不断变化。
误差分析：1、示波器显示的波形，根据肉眼判断不可能调到完全的等间距，是本实验的系统误差。
2、稳恒磁场B的测量时，必须标记样品在磁场中的位置，高斯计探头位置的误差，容易导致B偏差。
3、高斯计的探头在磁场中方位的变化容易导致数据急剧变化，实验者手臂的抖动导致了高斯计读数的浮动，带来读数偶然误差。
实验小结通过本实验我掌握了核磁共振的实验原理，学会了直线拟合法求旋磁比的的实验方法。
通过对实验的改进，使我明白，科学的道路上需要探索的精神，需要不断改良方法，来实现更正确更精确的测量。
核磁共振实验报告及数据
核磁共振实验报告及数据核磁共振实验报告及数据 2011年04月20日核磁共振1了解核磁共振的基本原理教学目的2学习利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法3理解驰豫过程并计算出驰豫时间。
重难点1核磁共振的基本原理2磁场强度和驰豫时间的计算。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时3个学时一、前言核磁共振是重要的物理现象。
核磁共振技术在物理、化学、生物、医学和临床诊断、计量科学、石油分析与勘探等许多领域得到重要应用。
自旋角动量P不为零的原子核具有相应的磁距μ而且其中称为原子核的旋磁比是表征原子核的重要物理量之一。
当存在外磁场B时核磁矩和外磁场的相互作用使磁能级发生塞曼分裂相邻能级的能量差为其中hh/2πh为普朗克常数。
如果在与B垂直的平面内加一个频率为ν的射频场当时就发生共振现象。
通常称y/2π为原子核的回旋频率一些核素的回旋频率数值见附录。
核磁共振实验是理科高等学校近代物理实验课程中的必做实验之一如今许多理科院校的非物理类专业和许多工科、医学院校的基础物理实验课程也安排了核磁共振实验或演示实验。
利用本装置和用户自备的通用示波器可以用扫场的方式观察核磁共振现象并测量共振频率适合于高等学校近代物理实验基础实验教学使用。
二、实验仪器永久磁铁含扫场线圈、可调变阻器、探头两个样品分别为、和、数字频率计、示波器。
三、实验原理一核磁共振的稳态吸收核磁共振是重要的物理现象核磁共振实验技术在物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油分析勘探等许多领域得到重要应用。
1945年发现核磁共振现象的美国科学家Purcell和Bloch1952年获诺贝尔物理学奖。
在改进核磁共振技术方面作出重要贡献的瑞士科学家Ernst1991年获得诺贝尔化学奖。
大家知道氢原子中电子的能量不能连续变化只能取分立的数值在微观世界中物理量只能取分立数值的现象很普通本实验涉及到的原子核自旋角动量也不能连续变化只能取分立值其中I称为自旋量子数只能取0123�6�7等整数值或1/23/25/2�6�7等半整数值公式中的h/2π而h为普朗克常数对不同的核素I分别有不同的确定数值本实验涉及质子和氟核F19的自旋量子数I 都等于1/2类似地原子核的自旋角动量在空间某一方向例如z方向的分量也不能连续变化只能取分立的数值Pzm 。
核磁共振稳态吸收2_图文
1.核磁共振稳态吸收一、实验目的1、了解核磁共振基本原理2、利用核磁共振方法测量样品的磁旋比γ、核朗德因子和原子核磁矩3、了解利用核磁共振精确测量磁场强度的方法二、实验原理三、实验技术方法四、实验内容步骤和分析五.实验数据分析及处理：1.对于H 1的处理如下：通过实验测得H 1的射频场频率v 和用高斯计测量的样品的稳恒磁场强度B 如表1.表1对磁场和频率求平均值得到：MHz v 0239.20=，T B 3084.0=.H 1的旋磁比B vπγ2==4.0796T /Hz 108⨯。
然后计算朗德因子lu N g γ=。
磁炬pm el u 2 ==J/T 10051.527-⨯。
故得到gN=8.51.跟据理论得到的理论值()5851.5=theory N g 。
故得到误差为()52.0)(==-theory N theory N N g g g w 。
根据数据制作的图如图1、2.图1.H 1的幅值与仿真时间爱的关系图1图2.H 1的幅值与仿真时间爱的关系图22.对于由的处理如下表2对磁场和频率求平均值得到：.3098.0,03736.20T B MHz v ==通过记录数据作图如下图3、4.the relationship of Votage and timetv o t a g e-10-9-8-7-6-5-4tv图3.油的幅值与仿真时间爱的关系图1图4.油的幅值与仿真时间爱的关系图2误差分析：对于H 1得到实验误差是0.52.由于测得的实验值的磁场太小，可能是因为高斯计的灵敏度不是很好，通过与周围其他组的对比，我们的实验数据没有太大的区别，所以实验操作的问题应该很少。
具体问题我认为是高斯计不灵敏和磁场太小，不能测出接近或者误差更小的实验结果。
对于油，由于实验数据不确定，只能展示出其两个图像。
六.思考与讨论：1.观测NMR 共振时需要提供哪几种磁场？他们各起什么作用？答：有两种。
1.恒磁场恒Ｂ，使核自旋与恒磁场发生相互作用，然后核能级发生塞曼分裂。
西安交大物理仿真实验核磁共振
西安交通大学大学物理仿真实验报告——核磁共振：***班级：*学号：*核磁共振一、实验介绍1946年伯塞尔用吸收法，布洛赫用感应法几乎同时发现物质的核磁共振现象，核磁共振是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法。
是物理，化学，生物学研究中一项重要的实验技术，在遗传学，计量科学，石油分析中有重要应用。
本实验的目的是观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验原理和方法，测量二、实验目的1、观察核磁共振稳态吸收现象；2、掌握核磁共振的实验原理和方法；3、测量1H和19F的γ值和g值。
三、实验原理核磁共振的经典观点：从经典力学观点看，具有磁矩μ和角动量P的粒子，在外磁场B0中受到一个力矩L的作用：L=μ×B0此力矩使角动量发生变化： dP/dt=L故dμ/dt=ϒμ×B0 。
假设B0是稳恒的且沿Z方向，则上式表示μ绕B0进动，进动频率ω0=ϒB0，假设在XY平面内加一个旋转场B1，其旋转频率为ω0，旋转方向与μ进动方向一致，因而μ也绕B1进动，结果使ϴ角增大，表示粒子从B1中获得能量。
核磁共振的方法图像：本实验采用连续波吸收法，用连续的射频场作用到核系统上，由于共振使射频振荡线圈中负载发生变化，从而观察到核对频率的响应信号。
同时使用扫声法观察共振信号，在稳恒磁场迭加一交变低频调制磁场B=，使实际磁场为,当的变化使扫过ω所对应的共振磁场B=ω/时，则发生共振，当=B=2π/γ时，为等间距信号，此时可记录数据。
则可算得γ和g因子。
实验同时可观察内扫和外扫现象。
四、实验内容〔1〕观测1H的核磁共振信号。
样品用纯水，先找出共振信号，再分别改变的大小，观察共振信号位置，形状变化。
〔2〕观测1H和ϒN，gN分别记录下六组不同磁铁间矩d时所对应的以及相应的共振频率ν，再计算ϒN，gN〔3〕测量19F样品用聚四氟乙稀，分别记录下三组不同磁铁间矩d时所对应的以及相应的共振频率ν，再计算ϒN，gN五、实验仪器NMR实验装置图：核磁共振仪：磁铁的实验平台：样品：六、实验过程及原始数据1、内扫法—纯水测量六组数据，得到如下表格：2、外扫法—纯水测量六组数据，得到如下表格：再测19F的g和Y3、内扫法--聚四氟乙烯测量三组数据，得到如下表格：4、外扫法—聚四氟乙烯测量三组数据，得到如下表格：七、数据处理1. 测量1H 的γ因子和g 因子将实验数据代入原理中所述公式，得到 g=相对误差e=0.00356/5.175*100%=0.07% 所以g=5.175356γ=〔2.281203〕×108(s −1∙T −1)2.测量19F的γ因子和g因子将实验数据代入原理中所述公式，得到g=75相对误差e=0.00285/5.237*100%=% 所以g=5.237285γ=〔2.314185〕×108(s−1∙T−1)八、实验结论1、实验测得1H的γ因子和g因子为：g=5.175356γ=〔2.281203〕×108(s−1∙T−1) 2、实验测得19F的γ因子和g因子为：g=5.237285γ=〔2.314185〕×108(s−1∙T−1)。
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式中N1为低能级上的核数目，N2为高能级上的核数目， 为上下能级间的能量差，ｋ为玻尔兹曼常数，Ｔ为绝对温度。当 时，上式可以近似写成
（2—10）
上式说明，低能级上的核数目比高能级上的核数目略微多一点。对氢核来说，如果实验温度 T=300K，外磁场B0=1T，则
这说明，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出７个。这就是说，在低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个核中只有７个核的核磁共振吸收未被共振辐射所抵消。所以核磁共振信号非常微弱，检测如此微弱的信号，需要高质量的接收器。
（5）打开磁场扫描电源、边线振荡器、频率计和示波器的电源，准备后面的仪器调试。
（6）调出共振信号后，记下此时频率计的读数，用特斯拉计测出样品所在处的磁场强度。
（7）用平均法或线性模拟计算样品（核）的旋磁比 、朗德因子 和磁矩
（8）与理论值进行比较，进行误差分析
五、思考题
1.观测NMR共振时需要提供几种磁场？起什么作用？
核磁共振的稳态吸收
一、实验目的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、了解核磁共振原理
2、利用核磁共振方法确定样品的旋磁比γ、朗德因子gN和原子核的磁矩μI
3、用核磁共振测磁场强度
二、实验原理
1．单个核的磁共振
通常将原子核的总磁矩在其角动量 方向上的投影 称为核磁矩，它们之间的关系通常写成
式中 称为旋磁比； 为电子电荷； 为质子质量； 为朗德因子。对氢核来说，
由这个公式可知：相邻两个能级之间的能量差 与外磁场 的大小成正比，磁场越强，则两个能级分裂也越大。
如果实验时外磁场为 ，在该稳恒磁场区域又叠加一个电磁波作用于氢核，如果电磁波的能量 恰好等于这时氢核两能级的能量差 ，即
（2—7）
则氢核就会吸收电磁波的能量，由 的能级跃迁到 的能级，这就是核磁共振的吸收现象
由式(2—10)可以看出，温度越高，粒子差数越小，对观察核磁共振信号越不利。外磁场 越强，粒子差数越大，越有别于观察核磁共振信号。一般核磁共振实验要求磁场强一些，其原因就在这里
另外，要想观察到核磁共振信号，仅仅磁场强一些还不够，磁场在样品范围内还应高度均匀，否则磁场多么强也观察不到核磁共振信号。原因之一是，核磁共振信号由式（2—7）决定，如果磁场不均匀，则样品内各部分的共振频率不同。对某个频率的电磁波，将只有少数核参与共振，结果信号被噪声所淹没，难以观察到核磁共振信号。
磁矩为 的原子核在恒定磁场 中具有的势能为
任何两个能级之间的能量差为
（2—5）
考虑最简单情况，对氢核而言，自旋量子数 ，所以磁量子数m只能取两个值，即 。磁矩在外磁场方向上的投影也只能取两个值，如图2—1中的（a）所示，与此相对应的能级如图2—1中（b）所示。
根据量子力学中的选择定则，只有 的两个能级之间才能发生跃迁，这两个能级之间的能量为
（3）将边限振荡器的“共振信号”输出用Q9线接示波器“CH1通道”或者“CH2通道”，“频率输出”用Q9线线接频率计的A通道(频率计的通道选择：A通道，即1HZ—100MHZ;FUNCTION选择：FA;GATETIME选择：1S)；
（4）移动边限震荡器将探头连同样品放入磁场中，并调节边限振荡器机箱低部四个调节螺丝，使探头放置的位置保证使内部线圈产生的射频磁场方向与稳恒磁场方向垂直；
式（２—７）就是核磁共振条件。为了应用上的方便，常写成
（2—8）
2．核磁共振信号的强度
上面讨论的是单个的核放在外磁场中的核磁共振理论。但实验中所用的样品是大量同类核的集合。如果处于高能级上的核数目与处于低能级上的核数目没有差别，则在电磁波的激发下，上下能级上的核都要发生跃迁，并且跃迁几率是相等的，吸收能量等于辐射能量，我们就观察不到任何核磁共振信号。只有当低能级上的原子核数目大于高能级上的核数目，吸收能量比辐射能量多，这样才能观察到核磁共振信号。在热平衡状态下，核数目在两个能级上的相对分布由玻尔兹曼因子决定：
2.扫场法合扫频法各有什么特点？本实验那些过程使用扫频法？
三、仪器与装置
核磁共振实验仪主要包括磁铁及调场线圈、探头与样品、边限振荡器、磁场扫描电源、频率计及示波器。实验装置如图（2—7）所示：
四、实验内容
（1）首先将探头旋进边限振荡器后面指定位置，并将测量样品插入探头内；
（2）将磁场扫描电源上“扫描输出”的两个输出端接磁铁面板中的一组接线柱（磁铁面板上共有四组，是等同的，实验中可任选一组），并经磁场扫描电源机箱后面板上的接线头与边限振荡器后面板上的接头用相关线连接；
按照量子力学，原子核角动量的大小由下式决定
式中 ， 为普朗克常数。I为核的自旋量子数，可以取 对氢核来说
把氢核放入外磁场 中，可以取坐标轴ｚ方向为 的方向。核的角动量在 方向上的投影值由下式决定
（2—3）
式中 称为磁量子数，可以取 。核磁矩在 方向上的投影为
将它写为
（2—4）
式中 称为核磁子，是核磁矩的单位。