近代物理实验核磁共振

F P
P
gF
/ B0 n / h
F n
zF mzFF mzF gF n 最后，用NMR测量电磁铁的B-I曲线。
如今，“NMR”已在物理、化学、生物学、医学 和神经学等方面获得了广泛的应用。比如，在研究物 质的微观结构方面已形成了一个科学分支——核磁共 振波谱学；利用核磁共振成像技术，美国加州福尼亚 大学洛杉机分校的教授们做出了老年痴呆症的脑电图， 人们可以清楚地看到老年痴呆症患者大脑灰白质损失 从轻微阶段发展到严重阶段的过程。
• 一、背景知识； • 二、实验目的； • 三、实验原理； • 四、实验装置； • 五、实验内容；
实验背景
在1946年，美国哈佛大学教授珀塞尔（E·M·Purcell） 和斯坦福大学教授布洛赫（F·Bloch），他们用不同的 方法同时发现了核磁共振，简称“NMR”。由于这项 发明工作是各自独立地完成的，因此两人分别获得了 1952年的诺贝尔物理学奖。
实验目的
1．测定氢核（¹H）的“NMR”频率（υH）， 理解“NMR”的基本原理及其条件，精确测 定出其恒定外加磁场的大小（B0）。 2．测定氟核（19F）的“NMR”频率（υF）， 测定氟原子的三个重要的参数－旋磁比 （υF）、朗德因子（gF）、自旋核磁矩（μI）。
实验原理
（一）量子力学描述：设现有角动量为P、磁矩为u的原子核， 核自旋角动量应满足：
B B0 B'cos't
其中，B’是交流扫场的幅度，w’是市电的圆频率。 总落磁在场这在个（范B围0-内B1才）会到发（生B0+共B1振）。的使范示围波内器变上化的，两/ 只峰有 重合，则磁场强度为：B 2
精确测量磁场
判断吸收信号排列是否均匀会给实验结果带来
误差。为减小判断误差，可在能观察共振信号 的前提下，把B减小到最小的幅度。若需进一步 估计B0的测量误差，可在保持扫场幅度不变的 前提下调节射频场的频率，使共振先后发生在 （B0+B’）与（B0-B’）处。此时信号间隔为20ms， 记下两次共振频率 ' 和 ''利用公式：
则核磁共振的频率条件为：
来自百度文库
1
2
B0
（二）经典力学描述：如外磁场为Bx=By=0，Bz=B0，则总磁矩绕
B进动，核磁矩 在xy平面上的投影为一转动的矢量，转动角
频率 0 B0
如等绕在时B1方x，y向平B1旋对面进内 ，加的且一方有旋位转保0磁持场不BB变11，，，使旋B1夹转对角角发频产生率生变为有化效0，，的当从作它而用与系，统使相能
' '' B 2B'
2
2
求出扫场幅度B’，以B’的1/10作为B0误差的估计 值。
19F三个重要物理量的测量
若已知B0，通过测量未知原子核的共振频
率 便可求出原子核的 值、g因子及核磁
矩 。以19F为例，本实验采用聚四氟乙烯为
测量样品，这三个物理量的测量分别以下面
的式子表示：
F
2
/ B0
量随 发生改变。 E Bz cos
当外磁场和弛豫过程同时存在时，描述核磁共振现象的基本运
动方程为：dM dt
(M
B) 1 T2
(M xi M y
j)
Mz M0 T1
k
此式为布洛赫方程，i，j，k为单位矢量。
在不同情况下解布洛赫方程的分量形式方程，可以解释各种
核磁共振现象。
实验装置
实验装置图
实验内容
精确测量磁场
把样品为水（掺有氯化铁）的探头置于磁场中， 将样品盒上的“频率输出”和“检波输出”分别与 频率计和示波器相连接。开启频率计、示波器和探 头的开关，这时频率计上应有读数显示。通过调压 器接入50Hz交变磁场，缓慢地调节边缘振荡器的频 率调节旋钮，监视示波器，搜索共振信号。只有当
E B0 gI nB0 时才会发生共振。如果外磁场是由 磁场B0和一个50Hz交变扫场叠加而成的，此时总磁 场应为：
Pl I(I 1)
式原中子I核为的核磁自矩旋为量：子数I，可g取I 整2me数p或P半I 整数。
核磁矩可以表示为：
I I I(I 1)
I称为旋磁比，由实验测定。
原子核处于外磁场中时，由于空间量子化，磁量子数有2I+1个 取值，核能级分为2I+1个，相邻能级能量差为：
E B0 gI n B0
由于选择定则，跃迁时吸收或辐射能量子的频率应满足：
0
gI n B0
h
根据塞曼效应理论，当 mI 1时辐射或吸收圆偏振电磁波。 实验中，我们沿着垂直于恒定磁场B0的方向上加上一个频率为 w的交变磁场2B1coswt，在X方向右旋，在Y方向左旋，只有与 拉莫尔进动方向相同的才起作用。设该交变磁场的频率为 ，
吸收法：样品置于小管内，管外绕一小线圈放
置于静磁场中，线圈轴线与B0方向垂直， 在线 圈导线中通以频率为 的射频电流。当 、B、
g值共振条件时：
1
2
B0
本实验采用吸收法，采用边缘振荡器测量核磁 共振信号。
边缘振荡器
边缘振荡器并不工作在振幅稳定的状态， 而是调节在刚刚起振的边缘。当样品达到共 振吸收功率时，振荡线圈的品质因素Q值降 低，振幅就有较大下降。振荡信号经检波放 大后得到振荡幅度的包络线，也就是共振吸 收曲线。数字频率计读出射频场的频率。