實(shí)驗(yàn) 核磁共振實(shí)驗(yàn)

1、核磁共振實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解核磁共振的基本原理，包括：對(duì)核自旋、在外磁場(chǎng)中的能級(jí)分裂、受激躍遷的基本概念的理解，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本現(xiàn)象有一定認(rèn)識(shí)。2學(xué)習(xí)利用核磁共振校準(zhǔn)磁場(chǎng)和測(cè)量因子g的方法：了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，掌握利用掃場(chǎng)法創(chuàng)造核磁共振條件的方法，學(xué)會(huì)利用示波器觀察共振吸收信號(hào)。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：自旋不為零的粒子，如電子和質(zhì)子，具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放入穩(wěn)恒的外磁場(chǎng)中，粒子的磁矩就會(huì)和外磁場(chǎng)相互作用使粒子的能級(jí)產(chǎn)生分裂，分裂后兩能級(jí)間的能量差為E = hB0（1） 其中：為旋磁比，h為約化普朗可常數(shù)，B0為穩(wěn)恒外磁場(chǎng)。如果此時(shí)再在穩(wěn)恒外磁場(chǎng)的垂直方向加上一個(gè)交變電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)的能

2、量為E=h（2）其中：為交變電磁場(chǎng)的頻率。當(dāng)該能量等于粒子分裂后兩能級(jí)間的能量差時(shí)，即：h = h B0（3）2 = B0（4）低能極上的粒子就要吸收交變電磁場(chǎng)的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。實(shí)驗(yàn)設(shè)備a) 樣品：提供實(shí)驗(yàn)用的粒子。b) 永磁鐵：提供穩(wěn)恒外磁場(chǎng)，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B約為 Bo（實(shí)驗(yàn)待求）。c) 邊限振蕩器：產(chǎn)生射頻場(chǎng),提供一個(gè)垂直與穩(wěn)恒外磁場(chǎng)的交變磁場(chǎng)，頻率。同時(shí)也將探測(cè)到的共振電信號(hào)放大后輸出到示波器，邊限振蕩器的頻率由頻率計(jì)讀出。d) 繞在永鐵外的磁感應(yīng)線圈：其提供一個(gè)疊加在永磁鐵上的掃場(chǎng)。e) 調(diào)壓變壓器：為磁感應(yīng)線圈提供50Hz的掃場(chǎng)電壓。f) 頻率計(jì)：讀取射頻場(chǎng)的頻率。g)

3、 示波器：觀察共振信號(hào)。探測(cè)裝置的工作原理:圖一中繞在樣品上的線圈是邊限震蕩器電路的一部分，在非磁共振狀態(tài)下它處在邊限震蕩狀態(tài)（即似振非振的狀態(tài)），并把電磁能加在樣品上,方向與外磁場(chǎng)垂直。當(dāng)磁共振發(fā)生時(shí)，樣品中的粒子吸收了震蕩電路提供的能量使振蕩電路的Q值發(fā)生變化，振蕩電路產(chǎn)生顯著的振蕩，在示波器上產(chǎn)生共振信號(hào)。實(shí)驗(yàn)原理：在微觀世界中物理量只能取分立數(shù)值的現(xiàn)象很普遍。一般來說原子核自旋角動(dòng)量也不能連續(xù)變化，只能取分立值即：其中I稱為自旋量子數(shù)，只能取0，1，2，3， 等整數(shù)值或1/2，3/2，5/2， 等半整數(shù)值右圖是在外磁場(chǎng)B0中塞曼分裂圖（半數(shù)以上的原子核具有自旋，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一小磁場(chǎng)。當(dāng)加

4、一外磁場(chǎng)，這些原子核的能級(jí)將分裂，即塞曼效應(yīng)。）本實(shí)驗(yàn)涉及的質(zhì)子和氟核 F19 的自旋量子數(shù)I都等于1/2。類似地原子核的自旋角動(dòng)量在空間某一方向，例如z方向的分量不能連續(xù)變化，只能取分立的數(shù)值其中量子數(shù)m只能取I，I-1， ，-I+1，-I等（2I+1）個(gè)數(shù)值。自旋角動(dòng)量不為零的原子核具有與之相聯(lián)系的核自旋磁矩， 簡(jiǎn)稱核磁矩（magnetic moment）。其大小為其中e為質(zhì)子的電荷，M為質(zhì)子的質(zhì)量，g是一個(gè)由原子核結(jié)構(gòu)決定的因子，對(duì)不同種類的原子核g的數(shù)值不同，g成為原子核的g因子。由于核自旋角動(dòng)量在任意給定的z方向的投影只可能?。?I+1）個(gè)分立的數(shù)值，因此核磁矩在z方向上的投影也只能

5、?。?I+1）個(gè)分立的數(shù)值：原子核的磁矩的單位為：mN稱為核磁子。采用mN作為核磁矩的單位以后，mz可記為mz =gmmN。而核磁矩與角動(dòng)量本身的大小相對(duì)應(yīng)即： 角動(dòng)量為：核磁矩為：除了用g因子表征核的磁性質(zhì)外，通常引入另一個(gè)可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理量g，g定義為原子核的磁矩與自旋角動(dòng)量之比：利用g我們可寫成=gp，相應(yīng)地有z = gpz。當(dāng)不存在外磁場(chǎng)時(shí)，原子核的能量不會(huì)因處于不同的自旋狀態(tài)而不同但是，當(dāng)施加一個(gè)外磁場(chǎng)B后，情況發(fā)生變化為了方便起見，通常把B的方向規(guī)定為z方向，由于外磁場(chǎng)B與磁矩的相互作用能為：核磁矩在加入外場(chǎng)B后，具有了一個(gè)正比于外場(chǎng)的頻率，量子數(shù)m取值不同，則核磁矩的能量也就

6、不同。原來簡(jiǎn)并的同一能級(jí)分裂為(2I+1)個(gè)子能級(jí)。不同子能級(jí)的能量雖然不同，但相鄰能級(jí)之間的能量間隔 卻是一樣的即而且，對(duì)于質(zhì)子而言，I=1/2，因此，m只能取m=12和m= -1/2兩個(gè)數(shù)值。簡(jiǎn)并能級(jí)在磁場(chǎng)中分開。其中的低能級(jí)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)E1= mB，與場(chǎng)方向一致的自旋，而高的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于E2= - mB，與場(chǎng)方向相反的自旋。當(dāng)核自旋能級(jí)在外磁場(chǎng)B作用下產(chǎn)生分裂以后，原子核在不同能級(jí)上的分布服從玻爾茲曼分布。若在與B垂直的方向上再施加一個(gè)高頻電磁場(chǎng)（射頻場(chǎng)），且射頻場(chǎng)的頻率滿足一定條件時(shí),會(huì)引起原子核在上下能級(jí)之間躍遷。這種現(xiàn)象稱為共振躍遷（簡(jiǎn)稱共振）。 發(fā)生共振時(shí)射頻場(chǎng)需要滿足的條件稱為共振

7、條件如果用圓頻率=2 表示，共振條件可寫成通過測(cè)量質(zhì)子在磁場(chǎng)B中的共振頻率 H 可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的校準(zhǔn)，即反之，若B已經(jīng)校準(zhǔn)，通過測(cè)量未知原子核的共振頻率 便可求出待測(cè)原子核的值(通常用/2值表征)或g因子。觀察共振現(xiàn)象通常有兩種方法：本實(shí)驗(yàn)采用的是掃場(chǎng)法，幅度為幾個(gè)高斯具體的圖像說明如下：在永磁鐵B0上疊加一個(gè)低頻交變磁場(chǎng)BmSint（為市電頻率50HZ，遠(yuǎn)低于射頻場(chǎng)的頻率，約幾十MHZ），使氫質(zhì)子兩能級(jí)能量差的值h（B0+BmSint）有一個(gè)變化的區(qū)域。我們調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的頻率，使射頻場(chǎng)的能量h進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，這樣在某一瞬間等式h =h（B0+BmSint）總能成立。（見下圖）此時(shí)通過邊限振蕩器的探

8、測(cè)裝置在示波器上可觀測(cè)到共振信號(hào)由上圖可見，當(dāng)共振信號(hào)非等間距時(shí)，共振點(diǎn)處h=h（B0+BmSint），BmSint非零。調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的頻率使共振信號(hào)等間距，共振點(diǎn)處t=n，BmSint=0，h=hB0實(shí)驗(yàn)要求和步驟：觀察硫酸銅溶液的核磁共振信號(hào)： （1） 連 接1）將硫酸銅樣品放入探頭中，并把探頭的一端與邊限振蕩器的接頭相連，另一端置于磁鐵間隙的中間位置；2） 用航空線把掃描電源背后的航空接頭與邊限振蕩器的電源接頭相連；3） 掃描電源的“掃描輸出”兩端與磁鐵面板上的任一組線圈接線柱相連；4） “ X 輸出”兩端經(jīng)插片線接至示波器的X 通道；5）用將邊限振蕩器的“共振頻率”輸出端與頻率計(jì)相連；6

9、）用線將邊限振蕩器的“共振信號(hào)”輸出與示波器的Y 通道相連。（2） 觀 測(cè)1）調(diào)節(jié)掃描電源上的“掃描幅度” 旋鈕及邊限振蕩器上的“幅度調(diào)節(jié)” 旋鈕，再調(diào)節(jié)邊限振蕩器上的粗調(diào)旋鈕到磁鐵面板示值附近，然后調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕得到等寬、最強(qiáng)、尾波最多的共振信號(hào),記下頻率、電壓及示波器參數(shù)，并描畫信號(hào)波形，如下圖所示（參考）：2）按下示波器上的TIME(x - y)按鈕，并調(diào)節(jié)掃描電源上的x軸相位與x軸幅度旋鈕，以觀察李薩如圖形，如圖2 所示（參考）：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)條件：樣品硫酸銅樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度示波器參數(shù)掃描電壓掃描時(shí)間數(shù)據(jù)記錄（其中U 為射頻場(chǎng)幅度， f 為頻率）：1234U/Vf/MHz計(jì)算與g附錄1：核磁共振的應(yīng)用：核磁共振適合于液體、固體。如今的高分辨技術(shù)，還將核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經(jīng)從過去的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實(shí)驗(yàn)方法被放棄，新的實(shí)驗(yàn)方法迅速發(fā)展，它們將分子結(jié)構(gòu)和分子間的關(guān)系表現(xiàn)得更加清晰。在世界的許多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)集團(tuán)，都可以聽到核磁共振這個(gè)名詞，包括我們?cè)谌粘Ｉ钪惺煜さ拇蠹瘓F(tuán)。而且它在化工、石油、橡膠、建材、食品、冶