核磁共振核磁共振

1、核磁共振核磁共振核核 磁磁 共共 振振 核磁共振是指原子核在静电场中的作用下对固定频率的射频电磁波进行吸收的现象。核磁共振是指原子核在静电场中的作用下对固定频率的射频电磁波进行吸收的现象。核磁共振广泛应用于化学、生物、医学领域。核磁共振广泛应用于化学、生物、医学领域。基本原理基本原理 实验设备实验设备实验原理实验原理实验要求和步骤实验要求和步骤第1页/共15页基本原理基本原理 自旋不为零的粒子自旋不为零的粒子, ,如电子和质子如电子和质子, ,具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分

2、裂后两能级间外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为的能量差为: : （1 1） 其中：其中：为粒子的旋磁比，为约化普朗可常数，为粒子的旋磁比，为约化普朗可常数，B0B0为稳恒外磁场。为稳恒外磁场。 如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场，该电磁场的频率为如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场，该电磁场的频率为，能量为能量为: : （2 2） 当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差EE时即：时即： （3 3） 低能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。低

3、能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。0EhBhohhB第2页/共15页实验设备实验设备样品（样品（samplesample）水：提供实验）水：提供实验用的粒子，氢（用的粒子，氢（1 1H H）核。）核。永磁铁：提供稳恒外磁场永磁铁：提供稳恒外磁场, ,中心中心磁感应强度磁感应强度B0B0约为约为0.55T0.55T。边限振荡器：产生射频场边限振荡器：产生射频场, ,提供提供一个垂直与稳恒外磁场的高频一个垂直与稳恒外磁场的高频电磁场，频率。电磁场，频率。同时也将探测到的共振电信号同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器，边限振放大后输出到示波器，边限振荡器的频率由频

4、率计读出。荡器的频率由频率计读出。绕在永磁铁外的磁感应线圈：绕在永磁铁外的磁感应线圈：其提供一个叠加在永磁铁上的其提供一个叠加在永磁铁上的扫场。扫场。调压变压器：为磁感应线圈提调压变压器：为磁感应线圈提供供5050周的扫场电压。周的扫场电压。频率计：读取射频场的频率。频率计：读取射频场的频率。示波器：观察共振信号。示波器：观察共振信号。图一图一第3页/共15页实验原理实验原理 由公式（由公式（3 3）可知，为了实现核磁共振有两种实验方法：）可知，为了实现核磁共振有两种实验方法：1 1、固定外磁场、固定外磁场B B0 0，调节高频电磁场频率，调节高频电磁场频率，实现核磁共振，此，实现核磁共振，此

5、为扫频法。为扫频法。2 2、固定高频电磁场频率、固定高频电磁场频率，调节外磁场，调节外磁场B B0 0，实现核磁共振，此，实现核磁共振，此为扫场法。为扫场法。 本实验用的是第二种实验方法，即扫场法。本实验用的是第二种实验方法，即扫场法。 在本实验要测的一个物理量是氢质子的在本实验要测的一个物理量是氢质子的因子，由公式（因子，由公式（3 3）可知，）可知，只要知道只要知道B B0 0，即可求得即可求得，B B0 0在实验设备中已标定（如在实验设备中已标定（如0.55T0.55T），），可由频率计测出。但是仅此，在本实验中可由频率计测出。但是仅此，在本实验中是无法是无法用实验求出的。因为本实验中两

6、能级的能量差是一个精确，稳定用实验求出的。因为本实验中两能级的能量差是一个精确，稳定的量。而实验用的高频振荡器其频率的量。而实验用的高频振荡器其频率只能稳定在只能稳定在103HZ103HZ量级。量级。其能量很难固定在其能量很难固定在 这一值上。实际上等式这一值上。实际上等式(3) (3) 在实验中很难在实验中很难成立。成立。 为实现核磁共振，可在永磁铁为实现核磁共振，可在永磁铁B B0 0上叠加一个低频交变磁场上叠加一个低频交变磁场B BmmSintSint，即所谓的扫场（，即所谓的扫场（为市电频率为市电频率50HZ50HZ，远低于高频场的，远低于高频场的频率频率其约其约0hB第4页/共15页

7、实验原理实验原理 几十几十MHZMHZ），使氢质子两能级能量差），使氢质子两能级能量差 hh（B B0 0+B+BmmSin100tSin100t）有一个连续变化的范围。）有一个连续变化的范围。我们调节射频场的频率我们调节射频场的频率，使射频场的能量进入，使射频场的能量进入 这个范围，这样在某一时刻等式这个范围，这样在某一时刻等式 = = （B B0 0+B+BmmSin100tSin100t）总能成立。（见图二）总能成立。（见图二） hhh图二图二第5页/共15页实验原理实验原理此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号。（见图二）此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共

8、振信号。（见图二） 由上图可见，当共振信号非等间距时，共振点处的等式为由上图可见，当共振信号非等间距时，共振点处的等式为 = = （B B0 0+B+BmmSin100tSin100t），），B BmmSin100tSin100t未知。无法利用该等式求出未知。无法利用该等式求出值。值。调节射频场的频率调节射频场的频率使共振信号等间距，共振点处使共振信号等间距，共振点处100t=n, BmSin100t=0100t=n, BmSin100t=0， 此时的此时的为共振信号等间距时的频率，由频率计读出。为共振信号等间距时的频率，由频率计读出。=2/B0=2/B0，值可求。（见值可求。（见图三）图三）

9、hhohhB图三图三第6页/共15页实验原理实验原理 探测装置的工作原理探测装置的工作原理: :图图一中绕在样品上的线圈是一中绕在样品上的线圈是边限震荡器电路的一部分，边限震荡器电路的一部分，在非磁共振状态下它处在在非磁共振状态下它处在边限震荡状态（即似振非边限震荡状态（即似振非振的状态），并把电磁能振的状态），并把电磁能加在样品上加在样品上, ,方向与外磁场方向与外磁场垂直。当磁共振发生时，垂直。当磁共振发生时，样品中的粒子吸收了震荡样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电电路提供的能量使振荡电路的路的QQ值发生变化，振荡值发生变化，振荡电路产生显著的振荡，在电路产生显著的振荡，在示波器

10、上产生共振信号。示波器上产生共振信号。第7页/共15页实验要求和步骤实验要求和步骤 1 1、观察、观察1 1H (H (样品水样品水) )的核磁共振信号：（记的核磁共振信号：（记9 9组数据组数据和图形）和图形）a a、将边限振荡器的、将边限振荡器的“检波输出检波输出”接示波器的接示波器的“CH1CH1”端，端，置示波器的置示波器的“方式方式”为为CH1CH1。b b、将边限振荡器的、将边限振荡器的“频率测试频率测试”端接多功能计数器的端接多功能计数器的“输输入入A A”。c c、将边限震荡器盒上的样品小心地从永磁铁上的插槽放入、将边限震荡器盒上的样品小心地从永磁铁上的插槽放入永磁铁中。（注意

11、不要碰掉样品的铜皮）永磁铁中。（注意不要碰掉样品的铜皮）d d、将调压变压器插头接入、将调压变压器插头接入220V220V市电插座，输出设为市电插座，输出设为100V100V。e e、打开边限振荡器电源开关，调节、打开边限振荡器电源开关，调节“频率调节频率调节”旋钮，使旋钮，使示波器上出现共振信号。示波器上出现共振信号。f f、调节调压变压器使其输出为、调节调压变压器使其输出为50-100V50-100V中的某一值中的某一值, ,保持保持该该第8页/共15页 值不变，记下该值，调节边限振荡器的值不变，记下该值，调节边限振荡器的“频率调节频率调节”旋钮，观察旋钮，观察示波器上共振波形的变化，任选

12、三个不同的波形画下，记下相示波器上共振波形的变化，任选三个不同的波形画下，记下相应的边限振荡器频率应的边限振荡器频率（由频率计读出，计小数点后三位）。（由频率计读出，计小数点后三位）。g g、调节、调节“频率调节频率调节”旋钮，将共振信号调成不等间距，保持旋钮，将共振信号调成不等间距，保持频率频率不变（如频率不稳定可每次调回到该频率值），记不变（如频率不稳定可每次调回到该频率值），记下该频率值。下该频率值。h h、改变调压器的输出电压、改变调压器的输出电压VV), VV), 观察示波器上共振信号的变化，观察示波器上共振信号的变化，任选三个不同的电压，画下相应波形，记下相应的任选三个不同的电压，

13、画下相应波形，记下相应的V V值。值。i i、将共振信号调成等间距、将共振信号调成等间距, , 保持该频率保持该频率不变不变, , 记下该频率值。记下该频率值。改变调压器的输出电压改变调压器的输出电压VV), VV), 选三个不同的电压选三个不同的电压V V画下相应画下相应波形，记下相应的波形，记下相应的V V值。值。 j j、对以上共振信号波形随、对以上共振信号波形随V V，变化的原因进行讨论。，变化的原因进行讨论。 第9页/共15页2 2、测量、测量H H的因子和的因子和g g因子：因子：a a、将样品放入永磁铁的磁场最强处（可左右移动边限振荡器铁盒，观察示波器上共、将样品放入永磁铁的磁场

14、最强处（可左右移动边限振荡器铁盒，观察示波器上共振信号波形，当幅值最强波形尾波最多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边振信号波形，当幅值最强波形尾波最多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边所对标尺的刻度值。所对标尺的刻度值。b b、置示波器扫描时间为、置示波器扫描时间为5ms/div,5ms/div,调节边线振荡器的调节边线振荡器的“频率调节频率调节”旋钮使共振信号等旋钮使共振信号等间距（间隔为间距（间隔为10ms10ms）。）。c c、读频率计，记下此时的频率值。、读频率计，记下此时的频率值。d d、将信号调离等间距重复以上、将信号调离等间距重复以上b-cb-c步骤（此步骤进行六次，求频率的

15、平均值）。步骤（此步骤进行六次，求频率的平均值）。e e、记下永磁铁上的磁感应强度、记下永磁铁上的磁感应强度B B0 0值。值。f f、由公式计算、由公式计算g g和和因子。因子。第10页/共15页3 3、测量、测量1919F F的的因子和因子和g g因子：因子：a a、将样品换成、将样品换成F F，并放在磁场最强处（放在上次记下的标尺刻度值处）。，并放在磁场最强处（放在上次记下的标尺刻度值处）。b b、重复第、重复第2 2项项b-fb-f各步骤。各步骤。4 4、改变样品在磁场中的位置，测出对应位置的磁感应强度、改变样品在磁场中的位置，测出对应位置的磁感应强度B B0 0：a a、把样品水放入

16、磁场中，向右（左）移使其偏离中心位置、把样品水放入磁场中，向右（左）移使其偏离中心位置, ,记下刻度值。记下刻度值。b b、使波形等间距，记下此时的频率值。、使波形等间距，记下此时的频率值。c c、改变三个不同位置，重复、改变三个不同位置，重复b b。第11页/共15页实验原理实验原理 几十几十MHZMHZ），使氢质子两能级能量差），使氢质子两能级能量差 hh（B B0 0+B+BmmSin100tSin100t）有一个连续变化的范围。）有一个连续变化的范围。我们调节射频场的频率我们调节射频场的频率，使射频场的能量进入，使射频场的能量进入 这个范围，这样在某一时刻等式这个范围，这样在某一时刻等

17、式 = = （B B0 0+B+BmmSin100tSin100t）总能成立。（见图二）总能成立。（见图二） hhh图二图二第12页/共15页2 2、测量、测量H H的因子和的因子和g g因子：因子：a a、将样品放入永磁铁的磁场最强处（可左右移动边限振荡器铁盒，观察示波器上共、将样品放入永磁铁的磁场最强处（可左右移动边限振荡器铁盒，观察示波器上共振信号波形，当幅值最强波形尾波最多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边振信号波形，当幅值最强波形尾波最多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边所对标尺的刻度值。所对标尺的刻度值。b b、置示波器扫描时间为、置示波器扫描时间为5ms/div,5ms/di

18、v,调节边线振荡器的调节边线振荡器的“频率调节频率调节”旋钮使共振信号等旋钮使共振信号等间距（间隔为间距（间隔为10ms10ms）。）。c c、读频率计，记下此时的频率值。、读频率计，记下此时的频率值。d d、将信号调离等间距重复以上、将信号调离等间距重复以上b-cb-c步骤（此步骤进行六次，求频率的平均值）。步骤（此步骤进行六次，求频率的平均值）。e e、记下永磁铁上的磁感应强度、记下永磁铁上的磁感应强度B B0 0值。值。f f、由公式计算、由公式计算g g和和因子。因子。第13页/共15页3 3、测量、测量1919F F的的因子和因子和g g因子：因子：a a、将样品换成、将样品换成F F，