实验3-1核磁共振.doc

核磁共振实验报告摘要：核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。本实验在了解核磁共振原理的基础上，利用扫频法观察氢核的核磁共振现象，并测定其g因子。同时比较掺入顺磁物质浓度不同的水样品，观察它们的吸收信号的差异。观察甘油等样品的氢核共振吸收信号，及用HF样品观测氟核的核磁共振信号，并测定其g因子。关键词：核磁共振 扫频法 g因子 吸收信号引言：核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象，产生的内因是原子具有自旋角动量和磁矩。泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年为埃斯特曼在实验上得到证实，表明原子核具有电荷分布，还有自旋角动量和磁矩。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度。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，是分析测量不可缺少的实验手段。正文：一、实验原理：1、共振吸收当核自旋系统处于直流磁场Bz中时，由于核自旋系统和Bz之间的相互作用，核能级发生塞曼能级分裂。上下能极差： E 式（1）若在垂直Bz方向上加一个频率为v的射频场B1，当射频的量子能量hv与塞曼能级分裂E正好相等，满足 E 式（2）时，即发生能级间的核自旋粒子由E1到E2的受激跃迁。如下图：氢核塞曼分裂图从射频场吸收能量而产生核磁共振吸引，即低能级核磁矩可吸收射频能量而跃迁到高能级，这就是共振吸收，式（2）为核磁共振条件。由于Bz固定，通过调节射频频率v满足式（2）的共振条件，此时频率称为共振频率，此种方法称为扫频法。2、 弛豫过程 共振吸收能破坏能级粒子数的热平衡分布而趋向饱和。因为在共振吸收过程中，低能级粒子跃迁到高能级，使高、低能级粒子数分布趋于均等，这时共振吸收信号消失，粒子系统处于饱和状态。有利于弛豫过程使能级粒子数恢复平衡分布。核自旋系统通过自旋和晶格之间的相互作用（纵向过程），及自旋的相互作用（横向过程）逐步由非平衡态恢复到平衡态的过程，称为弛豫过程。二、实验仪器与装置 实验装置由永久磁铁、射频边限振荡器、探头、样品、频率计、示波器、特斯拉计等组成。三、 实验步骤1、 连接线路2、计算氢核共振频率 式（3） g=5.585,uN=5.508*10-27JT-1,h=6.627*10-34J.S3、 将CuSO4样品放入振荡线圈，调节样品在磁场中位于最佳位置，在v附近、调节共振频率，并反复调节边限电流于20微安左右，扫场电压1V左右，直到示波器中观察到共振峰，记录下CuSO4样品的氢核共振频率4、 调整样品在磁场中的位置，重复第3步，求平均氢核共振频率5、 改变下述实验条件，观察信号变化，并做好记录（1） 改变射频场B1强度，观察信号的幅值变化；（2） 改变扫场电压的大小，观察吸收信号有何变化；（3） 移动样品在极间的位置，观察磁场B2的均匀度对吸收信号波形的影响；6、 用HF样品，调整共振频率，分别测量H核和F核的共振频率vH和vF。要求测量3次以上，求平均共振频率。7、 计算gH,gF 式（4）8、 用甘油、FeCl3、水等样品，观察共振吸收信号有何差异。四、实验结果1、磁场强度：Bz=4915GS2、由公式得：v=22.745MHz3、共振频率vH：12345共振频率vH/ MHz20.517120.516920.517320.517020.5168平均共振频率/ MHz20.517024、改变实验条件，观察到的信号变化（1）、随着射频场B1的强度逐渐增加，吸收信号幅值逐渐减少。随着射频场B1的强度逐渐减少，吸收信号幅值逐渐增加。（2）、扫场电压增加，中央共振峰往右移；扫场电压减小，中央共振峰往左移。（3）磁场B2的均匀度低，波形失真，没有规则的形状。5、用HF样品测得的H核和F核的共振频率12345平均共振频率/ MHz共振频率vH/ MHz20.265020.265320.265120.265220.265020.26512共振频率vF/ MHz19.300819.300619.301119.301519.300920.300986、由公式计算得到gH、gFgH=5.024gF=4.7277、用甘油、FeCl3、水等样品，观察到的共振吸收信号的差异（1）、FeCl3样品吸收信号图（2）、甘油样品吸收信号图（3）、水样品吸收信号图五、实验思考、1、核磁共振的条件：磁矩不为零的原子核在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射。2、扫描磁场的作用：外加磁场周期性变化，中间就会经过某一个磁场强度，对应于能够使得原子核发生共振翻转。3、把边限振荡器调到边限状态可以避免B1过强而引起饱和现象。4、出线尾波的原因：如果扫场速度很快,也