核磁共振實驗

核磁共振實驗報告物理071班陳文龍07180118【摘要】本實驗是在了解核磁共振原理的基礎(chǔ)上，用掃頻法觀察氫核的核磁共振現(xiàn)象，并測定氫其g因子。觀察摻入順磁物質(zhì)不同的樣品后的共振吸收信號的差異，同時觀察甘油等的氫核共振吸收信號以及用HF樣品測氟核的g因子。【關(guān)鍵詞】核磁共振、共振吸收、掃頻、朗德因子、弛豫時間【引言】自旋是微觀物理學(xué)中重要的概念之一。泡利于1924年提出核自旋假設(shè)，1930年為埃斯特曼在實驗上證實。這一原子核基態(tài)的重要特征表明原子核不是一個質(zhì)點而有電荷分布，還有自旋角動量和磁矩。1939年美國物理學(xué)家拉比用他創(chuàng)立的分子束共振法實現(xiàn)了核磁共振，精確測定了一些原子核的磁矩，獲得了1944年的諾貝爾物理學(xué)獎。但分子束技術(shù)要把樣品高蒸發(fā)后才能做實驗，這就破壞了凝聚物質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用范圍自然受到限制。1945年至1946年珀塞爾小組和布洛赫小組分別在石蠟和水中觀測到穩(wěn)態(tài)核磁共振信號，從而在宏觀的凝聚物質(zhì)中取得成功。為此，珀塞爾和布洛赫榮獲1952年諾貝爾物理學(xué)獎。此后，核磁共振技術(shù)迅速發(fā)展，還滲透到生物、醫(yī)學(xué)計量等學(xué)科領(lǐng)域以及眾多生產(chǎn)技術(shù)部門，成為分析測試中不可或缺的實驗手段。【實驗設(shè)計】一、實驗原理核磁共振（NMR）就是指處于某個靜磁場中的物質(zhì)的原子核系統(tǒng)受到相應(yīng)頻率的電磁輻射時，在它們的磁能級之間發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象。實現(xiàn)核磁共振的內(nèi)因是原子具有自旋角動量和磁矩。通常用NMR代表核磁共振。NMR實驗可采用兩種不同的射頻技術(shù)：一是穩(wěn)態(tài)法，用連續(xù)的弱射頻場作用于原子核系統(tǒng)，觀測NMR波譜。二是瞬態(tài)法，用脈沖的強(qiáng)射頻場作用于原子系統(tǒng)，觀察核磁矩弛豫過程的自由感應(yīng)現(xiàn)象。只要質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)兩者或其一為奇數(shù)時，這種物質(zhì)的核有非零的核磁矩，正是這種磁性核能產(chǎn)生核磁共振。該實驗是用磁場掃描法觀察核磁共振現(xiàn)象，由共振條件直接測定氫核和氟核的g因子等。當(dāng)電磁波的能量（hv）等于樣品某種能級差E時，分子可以吸收能量，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。高能態(tài)的粒子可以通過自發(fā)輻射放出能量，回到低能量，其幾率與兩能級能量差E成正比。一般的吸收光譜，E較大，自發(fā)輻射相當(dāng)有效，能維持Boltzmann分布。但在核磁共振波譜中，E非常小，自發(fā)輻射的幾率幾乎為零。想要維持NMR信號的檢測，必須要有某種過程，這個過程就是弛豫過程。即高能態(tài)的核以非輻射的形式放出能量回到低能態(tài)，重建Boltzmann分布的過程。根據(jù)Boltzmann分布，低能態(tài)的核（N+）與高能態(tài)的核（N-）關(guān)系可以用Boltzmann因子來表示：N+/N-=eE/KT^1+△E/KT，△E為兩能級的能量差，K為Boltzmann常數(shù)，T為絕對溫度。對于1H核，當(dāng)T=300K時，N+/N-^1.000009。對于其它核,Y值較小，比值會更小。因此在NMR中，若無有效的弛豫過程，飽和過程容易發(fā)生。一般有兩種弛豫過程，即自旋-晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋■晶格弛豫時間是指體系通過自旋-晶格弛豫過程而達(dá)到自旋核在B0場中自旋取向的Boltzmann分布所需的特征時間（半衰期），用T1表示；自旋-自旋弛豫反映核磁矩之間的作用，高能態(tài)的自旋核把能量轉(zhuǎn)移給同類低能態(tài)的自旋核，結(jié)果是各自旋態(tài)的核數(shù)目不變，總能量不變。自旋-自旋弛豫時間（半衰期）用T2表示，液體樣品T2約為1秒，固體或高分子樣品T2較小，約10-秒。共振時，自旋核受射頻場的相位相干作用，使宏觀凈磁化強(qiáng)度偏離z軸，從而在X-Y平面上非

均勻分布。自旋-自旋弛豫過程是通過自旋交換，使偏離Z軸的凈磁化強(qiáng)度MXY回到原來的平衡零值態(tài)（即在X-Y平面上均勻分布），故自旋-自旋弛豫又稱橫向弛豫。二、實驗裝置永久磁鐵、射頻邊限振蕩器、探頭、樣品、頻率計、示波器、特斯拉計等，實驗裝置連接圖如下:邊限振蕩器樣品三、實驗過程1、 將掃描電源的“頭與邊限振蕩器2、 將“共振信號”掃描輸?shù)V兩個輸出端，覲鐵面板中的一組線圈，掃描電源背后的接輸出有Q9線接示波器，“共振頻率”輸出用Q9三、實驗過程1、 將掃描電源的“頭與邊限振蕩器2、 將“共振信號”4、 將CuSO4樣品放入探頭中并將其置于磁鐵中，調(diào)節(jié)邊限振蕩器的頻率“粗調(diào)”電位器，將頻率調(diào)節(jié)至磁鐵標(biāo)志的H共振頻率附近，此時可調(diào)節(jié)頻率“細(xì)調(diào)”旋鈕；（調(diào)節(jié)旋鈕時要慢，因為共振范圍非常小容易跳過）5、 調(diào)出共振信號后降低掃描幅度，調(diào)節(jié)頻率“微調(diào)”至信號等寬，同時調(diào)節(jié)樣品在磁鐵中的空間位置來得到最強(qiáng)、尾波最多，弛豫時間最長的共振信號，記下此時的頻率，計算g因子；6、 調(diào)整樣品在磁場中位置，重復(fù)第4、5步驟，如此要求測量2次以上，取vh的平均；7、 用甘油、FeCl3、水、MnSO4和氟碳等樣品做以上實驗，重復(fù)4、5、6步驟，，觀察共振吸收信號的差異「并記錄下頻率，計算g因子。注意：不同樣品對應(yīng)的最佳射頻幅度不同，實驗時參照下表樣品弛豫時間T1最佳射頻幅度范圍CuSO 4 0.1mS3-4VFeCl 3 0.1mS3-4V氟碳0.1mS0.5-3VMnSO0.1mS0.5-3V純水約2S0.1-1V甘油約25mS0.5-2V四、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理樣品頻率（MHz）對應(yīng)的gg的平均值尾波描述CuSO420.573175.10055.1004尾波明顯20.572235.1003FeCl320.571075.10005.1004尾波不是特別明顯20.573985.1007氟碳20.572075.10025.1002前后都有尾波20.571895.1002

MnSO420.571765.10025.1003尾波明顯20.572385.1003純水20.572405.10035.1003前后都有尾波20.571775.1002甘油20.572275.10035.1002尾波不明顯20.571675.1001g=hv/B2*pn(其中=5.508*10-27JT-i,huG/Z?*^^]^,B2=4863Gs)，將頻列代入可以求得g因子。' 2【實驗總結(jié)】過核磁共振實驗，我了解了共振產(chǎn)生的原理，同時對弛豫時間等名詞有了新的接觸。在實驗中，我學(xué)會了用掃頻法測量g因子，并且用氟碳、甘油等不同的樣品觀察共振信號的差異及測量、計算g因子。在實驗起始階段，由于沒有弄清楚理想的共振信號是怎么樣的，致使調(diào)出來的共振信號不明顯，后來在老師的指導(dǎo)下，終于得到了較理想的共振信號。通過這件事，我也了解到因為共振信號的范圍非常小，容易跳過，所以頻率調(diào)節(jié)時旋轉(zhuǎn)要慢，