物理设计性试验核磁共振测磁场强度

长春工程学院

大学物理实验—设计性试验

实验报告

学院：能源与动力工程学院

班级：

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学号：

实验项目核磁共振测磁场强度

实验类别设计性试验

试验地点长春工程学院物理电磁学实验室试验时间2011年 6 月15 日

实验环境温度，湿度满足实验条件，仪器良好同组人员

指导教师鞠曙光

成绩

核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。

1945 年12 月，美国哈佛大学帕塞尔等人，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振 吸收信号；1946 年 1 月，美国斯坦福大学布洛赫等人，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共 振。因此，1945 年发现核磁共振现象的美国科学家珀塞耳（Purcell ）和布珞赫（Bloch ）1952 年获得诺贝尔化学奖。以后，许多物理学家进入了这个领域，取得了丰硕的成果。目前，核 磁共振已经广泛地应用到许多学科领域，是物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油 分析与勘探等研究中的一项重要实验技术。它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，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。

【实验目的】

（1） 掌握核磁共振的实验基本原理和方法。 （2） 观察核磁共振稳态吸收现象及测量磁场。 （3） 测量原子核的旋磁γ或核磁距µ。

【实验仪器】

核磁共振仪、频率计、示波器。

【实验原理】

一、 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…）．

二、 核磁距

原子核带有电荷，因而具有子旋磁矩，其大小为

（2） )1(211+==I I g p m e

g

N N

μμ （3） N

N m eh

2=

μ 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

（4） g m e

N

2=

γ 显然有

(5) I I p γμ=

γ称为核的旋磁比。

三、 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

(6) 00B γω=

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

(7) mh p Iz = （m=I ，I-1，…，-I+1，-I ） （8） Iz Iz p γμ= 则核磁矩所具有的势能为

（9） 000mB h B B E Iz I γμμ-=-=⋅-= 对于氢核（H 1），Ｉ＝

21，m ＝21 ，02

1

B h E γ =，两能级之间的能量差为 （10） 000B g B h h E N μγω===∆

E ∆正比于O B ，由于N m 约等于电子质量的1840

1，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。 四、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。

此时应满足

（11） 00B h g h E N μω==∆ （12） h

g

N

μγ=

（13） 00B γω=

h 为普朗克常数。

五、 仪器工作原理 （1）实验装置

（2）磁场由永久磁铁产生，采用O型结构，外壳用软铁材料做成，外壳开有一小

图6 核磁共振实验装置图图 7 永久磁铁外形图

图 8 探头由样品盒及电路盒组成

口使样品盒能插入磁隙中。永久磁铁安放在木座上，并使开口朝上。其外形图见图7。

（3）本实验是用扫场的方法观察共振信号，扫场由装在磁铁内部并固定在两个磁极上的扫场线圈产生。扫场线圈由50Hz的市电经0~220V可调变压器和一个220V/6V的小变压器隔离、降压后供电并利用可调变压器改变扫场的幅度。扫场线圈的引线与220V/6V小变压器的低压输出端连接在一起。小变压器固定装在木座内部，位于永久磁铁下方；木座下方一侧备有“交流0~220V输入”引线和备用的“扫场输出”端，此端可与示波器的X端相接。

（4）探头的外形如图8所示。探头由样品盒及电路盒组成。探头中主要是边限振荡器，是实验的核心部分。样品盒内绕在样品上的线圈既是射频场的发射线圈又是共振信号探测线圈。电路盒前面板的两个旋钮分别用来调节射频场的频率和幅度。后面板上的“频率测试”端与频率计相接，“检波输出”与示波器纵轴连接，用来观察共振信号。

图 9 共振信号波形

【试验方法与步骤】

1、 打开系统各仪器（磁共振实验仪、频率计数器、示波器）电源开关，示波器置于外扫描状态，把质子样品插入电磁铁均匀磁场中间，预热20分钟。

2、 缓慢调节磁场电源或频率调节旋钮，直至示波器上出现共振信号，调节样品在磁场中的位置使共振信号最强。

3、调节“调相”旋钮，使两波的第一峰重合，并通过调节磁场电流或频率调节旋钮使之位于示波器的中央。此时的f H 即为样品在该磁场电流下的共振频率，记录相应数据I 和f H 。

4、保持磁场电流不变，将示波器改为内扫描状态，微调频率调节旋钮，使共振信号间距相等，此时的f H 即为内扫描时样品在该磁场电流下的共振频率，记录相应数据I 和f H 。

5、改变磁场电流，重复3、4，测定样品在其工作范围内不同磁场电流下的共振频率。

6、把原质子样品更换为氟样品，保持磁场电流与前样品相对应，重复上述步骤2，3，4，5。

7、处理实验数据。当质子共振磁场B H 与氟共振磁场B F 相等时，有

H

H

F F f f γγ=

，式中，F f 为氟样品的共振频率，H f 为质子样品的共振频率，F γ和H γ分别为氟样品和质子样品的旋磁比，其中，H γ为已知，所以以相同磁场电流

下的F f 和H f ，从而求出F γ和g 因子。

8、由于已知H γ=2.67522╳102MHz/T ，所以只要测出与待测磁场相对应的共振频率H f ，即可由公式H

B γω

=0算出待测磁场强度，式中频率单位为MHz 。常用此方法校准高斯计。