磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、近代物理實(shí)驗(yàn)題目 磁共振技術(shù) 學(xué)院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班級(jí) 物理082班 學(xué)號(hào) 08220204 姓名 同組實(shí)驗(yàn)者 指導(dǎo)教師 光磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告【摘要】本次實(shí)驗(yàn)在了解如光抽運(yùn)原理，弛豫過(guò)程、塞曼分裂等基本知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行操作，從而觀(guān)察到光抽運(yùn)信號(hào)，并順利測(cè)量g因子?！娟P(guān)鍵詞】光磁共振 光抽運(yùn)效應(yīng) 塞曼能級(jí)分裂 超精細(xì)結(jié)構(gòu) 【引言】光磁共振實(shí)際上是使原子、分子的光學(xué)頻率的共振與射頻或微波頻率的磁共振同時(shí)發(fā)生的一種雙共振現(xiàn)象。這種方法是卡斯特勒在巴黎提出并實(shí)現(xiàn)的。由于這種方法最早實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，成了發(fā)明激光器的先導(dǎo)，所以卡斯特勒被人們譽(yù)為“激光之父”。光磁共振方法現(xiàn)已發(fā)展成為研究原子物理

2、的一種重要的實(shí)驗(yàn)方法。它大大地豐富了我們對(duì)原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子與原子間以及原子與其它物質(zhì)間相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成測(cè)量微弱磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)，也可以制成高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)?！菊摹恳弧⒒局R(shí)1、銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)及塞曼分裂本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為銣原子，天然銣有兩種同位素；85Rb（占7215%）和87Rb（占2785%）選用天然銣作樣品，既可避免使用昂貴的單一同位素，又可在一個(gè)樣品上觀(guān)察到兩種原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)躍遷的磁共振信號(hào)銣原子基態(tài)和最低激發(fā)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示在磁場(chǎng)中，銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)產(chǎn)生

3、塞曼分裂標(biāo)定這些分裂能級(jí)的磁量子數(shù)mF=F，F(xiàn)1，F(xiàn)，因而一個(gè)超精細(xì)能級(jí)分裂為2F1個(gè)塞曼子能級(jí) 設(shè)原子的總角動(dòng)量所對(duì)應(yīng)的原子總磁矩為F，F(xiàn)與外磁場(chǎng)B0相互作用的能量為EF·B0gF mF F B0                                 

4、60;  （1）這正是超精細(xì)塞曼子能級(jí)的能量式中玻爾磁子B92741×1024J·T1 ，朗德因子gF= gJ F(F+1)+J(J+1)I（I1） 2F（F1）    （2）圖1 其中g(shù)J= 1+J(J+1)L(L+1)+S（S1） 2J（J1）                  （3）上面兩個(gè)式子是由量子理論導(dǎo)出的，把相應(yīng)的量子數(shù)代入很容易求得具體數(shù)值由式（1）可

5、知，相鄰塞曼子能級(jí)之間的能量差EgF B B0                                            （4）式中E與B0成正比關(guān)系，在弱磁場(chǎng)B00，

6、則塞曼子能級(jí)簡(jiǎn)并為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)2、光抽運(yùn)效應(yīng) 在熱平衡狀態(tài)下，各能級(jí)的粒子數(shù)遵從玻耳茲曼分布，其分布規(guī)律由式(2)表示由于超精細(xì)塞曼子能級(jí)間的能量差E很小，可近似地認(rèn)為這些子能級(jí)上的粒子數(shù)是相等的這就很不利于觀(guān)測(cè)這些子能級(jí)之間的磁共振現(xiàn)象為此，卡斯特勒提出光抽運(yùn)方法，即用圓偏振光激發(fā)原子使原子能級(jí)的粒子數(shù)分布產(chǎn)生重大改變由于光波中磁場(chǎng)對(duì)電子的作用遠(yuǎn)小于電場(chǎng)對(duì)電子的作用，故光對(duì)原子的激發(fā)，可看作是光波的電場(chǎng)分布起作用設(shè)偏振光的傳播方向跟產(chǎn)生塞曼分裂的磁場(chǎng)B0的方向相同，則左旋圓偏振的光的電場(chǎng)E繞光傳播方向作右手螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，其角動(dòng)量為；右旋圓偏振的光的電場(chǎng)E繞光傳播方向作左手螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，其角動(dòng)量為；

7、線(xiàn)偏振的光可看作兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光的疊加，其角動(dòng)量為零現(xiàn)在以銣燈作光源由圖1可見(jiàn)，銣原子由5 2P125 2S12的躍遷產(chǎn)生D1線(xiàn)，波長(zhǎng)為0.7948m；由5 2P325 2S12的躍遷產(chǎn)生D2線(xiàn)，波長(zhǎng)為0.7800m這兩條譜線(xiàn)在銣燈光譜中特別強(qiáng)，用它們?nèi)ゼぐl(fā)銣原子時(shí)，銣原子將會(huì)吸收它們的能量而引起相反方向的躍遷過(guò)程然而，頻率一定而角動(dòng)量不同的光所引起的塞曼子能級(jí)的躍遷是不同的，由理論推導(dǎo)可得躍遷的選擇定則為 L±1   ，  F0，±1，      mF±1

8、0;             （5）圖2所以，當(dāng)入射光為D1光，作用87Rb時(shí)，由于87Rb的5 2S12態(tài)和5 2P12態(tài)的磁量子數(shù)mF的最大值均為±2，而光角動(dòng)量為只能引起mF1的躍遷，故D1光只能把基態(tài)中除mF2以外各子能級(jí)上的原子激發(fā)到5 2P12的相應(yīng)子能級(jí)上，如圖2(a)所示    圖2(b)表示躍遷到5 2P1/2上的原子經(jīng)過(guò)大約108s后，通過(guò)自發(fā)輻射以及無(wú)輻射躍遷兩種過(guò)程，以相等概率回到基態(tài)5 2S12各個(gè)子能級(jí)上這樣，經(jīng)過(guò)多次

9、循環(huán)之后，基態(tài)mF2子能級(jí)上的粒子數(shù)就會(huì)大大增加，即基態(tài)其他能級(jí)上大量的粒子被“抽運(yùn)”到基態(tài)mF2子能級(jí)上這就是光抽運(yùn)效應(yīng)    同理，如果用D1光照射，則大量粒子將被“抽運(yùn)”到mF2子能級(jí)上但是，光照射是不可能發(fā)生光抽運(yùn)效應(yīng)的     對(duì)于銣85Rb，若用D1光照射，粒子將會(huì)“抽運(yùn)”到mF3子能級(jí)上 3、弛豫過(guò)程  光抽運(yùn)使得原子系統(tǒng)能級(jí)分布偏極化而處于非平衡狀態(tài)時(shí)，將全通過(guò)弛緣過(guò)程回復(fù)到熱平衡分布狀態(tài)弛豫過(guò)程的機(jī)制比較復(fù)雜，但在光抽運(yùn)的情況下，銣原子與容器壁碰撞是失去偏極化的主要原因通常在銣樣品泡內(nèi)充入氮、氖等

10、作為緩沖氣體，其密度比樣品泡中銣蒸氣的原子密度約大6個(gè)數(shù)量級(jí)，可大大減少銣原子與容器壁碰撞的機(jī)會(huì)緩沖氣體的分子磁矩非常小，可認(rèn)為它們與銣原子碰撞時(shí)不影響這些原子在磁能級(jí)上的分布，從而能保持銣原子系統(tǒng)有較高的偏極化程度但緩沖氣體不可能使銣原子能級(jí)之間的躍遷完全被抑制，故光抽運(yùn)也就不可能把基態(tài)上的原子全部“抽運(yùn)”到特定的子能級(jí)上由實(shí)驗(yàn)得知樣品泡中充入緩沖氣體后，弛豫時(shí)間為102s數(shù)量級(jí)在一般情況下，光抽運(yùn)造成塞曼子能級(jí)之間的粒子差數(shù)，比玻耳茲曼分布造成的差數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)4、磁共振與光檢測(cè)  式（4）給出了銣原子在弱磁場(chǎng)B0作用下相鄰塞曼子能級(jí)的能量差要實(shí)現(xiàn)這些子能級(jí)的共振躍遷，還必須在垂

11、直于恒定磁場(chǎng)B0的方向上施加一射頻場(chǎng)B1作用于樣品當(dāng)射頻場(chǎng)的頻率滿(mǎn)足共振條件           h E gF B B0                             （6）時(shí)，便發(fā)生基態(tài)超精細(xì)塞曼子能級(jí)之間的共振躍遷現(xiàn)

12、象若作用在樣品上的是D1光，對(duì)于87Rb來(lái)說(shuō)是由mF2躍遷到mF1子能級(jí)接著也相繼有mF1的原子躍遷到mF0，與此同時(shí)，光抽運(yùn)又把基態(tài)中非mF2的原子抽運(yùn)引mF2子能級(jí)上因此，興振躍遷與光抽運(yùn)將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生磁共振時(shí)，處于基態(tài)mF2子能級(jí)上的原子數(shù)小于未發(fā)生磁共振時(shí)的原子數(shù)也就是說(shuō)，發(fā)生磁共振時(shí)能級(jí)分布布的偏極化程度降低了，從而必然會(huì)增大對(duì)D1光的吸收。作用在樣品上的D1光，一方面起抽運(yùn)作用另一方面可用透過(guò)樣品的光作為檢測(cè)光，即一束光起了抽運(yùn)和檢測(cè)兩重作用。對(duì)磁共振信號(hào)進(jìn)行光檢測(cè)可大大提高檢測(cè)的靈敏度本來(lái)塞曼子能級(jí)的磁共振信號(hào)非常微弱，特別是密度很低的氣體樣品的信號(hào)就更加微弱，直接

13、觀(guān)察射頻共振信號(hào)是很困難的光檢測(cè)充分利用磁共振時(shí)伴隨著D1光強(qiáng)的變化，可巧妙地將一個(gè)頻率較低的射頻量子(110MHz)轉(zhuǎn)換成一個(gè)頻率很高的光頻量子（約108MHz）的變化，使觀(guān)察信號(hào)的功率提高了78個(gè)數(shù)量級(jí)這樣，氣體樣品的微弱磁共振信號(hào)的觀(guān)測(cè)，便可用很簡(jiǎn)便的光檢測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、實(shí)驗(yàn)儀器由主體單元(銣光譜燈、準(zhǔn)直透鏡、吸收池、聚光鏡、光電探測(cè)器及亥姆霍茲線(xiàn)圈)、電源、輔助源、射頻信號(hào)發(fā)生器、示波器組成。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟1儀器的調(diào)節(jié)（1）在裝置加電之前,先進(jìn)行主體單元光路的機(jī)械調(diào)整。再用指南針確定地磁場(chǎng)方向，主體裝置的光軸要與地磁場(chǎng)水平方向相平行。用指南針確定水平場(chǎng)線(xiàn)圈、豎直場(chǎng)線(xiàn)圈及掃場(chǎng)線(xiàn)圈產(chǎn)生

14、的各磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平和垂直方向的關(guān)系，并作詳細(xì)記錄。（2）將“垂直場(chǎng)”、“水平場(chǎng)”、“掃場(chǎng)幅度”旋鈕調(diào)至最小，按下輔助源的池溫開(kāi)關(guān)，接通電源開(kāi)關(guān)。開(kāi)射頻信號(hào)發(fā)生器、示波器電源。電源接通約三十分鐘后，銣光譜燈點(diǎn)燃并發(fā)出紫紅色光，池溫?zé)袅粒粘卣９ぷ?，?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。（3）主體裝置的光學(xué)元件應(yīng)調(diào)成等高共軸。調(diào)整準(zhǔn)直透鏡以得到較好的平行光束，通過(guò)銣樣品泡并射到聚光透鏡上。銣燈因不是點(diǎn)光源，不能得到一個(gè)完全平行的光束，但仔細(xì)調(diào)節(jié)，在通過(guò)聚光透鏡即可使銣燈到光電池上的總光量為最大，便可得到良好的信號(hào)。（4）調(diào)節(jié)偏振片及1/4波片，使1/4波片的光軸與偏振光偏振方向的夾角為/4以獲得圓偏振光

15、。2光抽運(yùn)信號(hào)的觀(guān)察掃場(chǎng)方式選擇“方波”，調(diào)大掃場(chǎng)幅度。再將指南針置于吸收池上邊，設(shè)置掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)方向相反，然后拿開(kāi)指南針。預(yù)置垂直場(chǎng)電流為0.07A左右。用來(lái)抵消地磁場(chǎng)分量。然后旋轉(zhuǎn)偏振片的角度、調(diào)節(jié)掃場(chǎng)幅度及垂直場(chǎng)大小和方向，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，使光抽運(yùn)信號(hào)幅度最大。光抽運(yùn)信號(hào)波形掃場(chǎng)波形圖1（掃場(chǎng)波形中要加電場(chǎng)為零的縱軸線(xiàn)）銣樣品泡開(kāi)始加上方波掃場(chǎng)的一瞬間，基態(tài)中各塞曼子能級(jí)上的粒子數(shù)接近熱平衡，即各子能級(jí)上的粒子數(shù)大致相等。 因此這一瞬間有總粒子數(shù)7/8的粒子在吸收D1光，對(duì)光的吸收最強(qiáng)。隨著粒子逐漸被抽運(yùn)到MF=+2子能級(jí)上，能吸收+的光粒子數(shù)減少，透過(guò)銣樣

16、品泡的光逐漸增強(qiáng)。當(dāng)抽運(yùn)到MF=+2子能級(jí)上的粒子數(shù)達(dá)到飽和時(shí)，透過(guò)銣樣品泡的光達(dá)到最大且不再變化。當(dāng)磁場(chǎng)掃過(guò)零（指水平方向的總磁場(chǎng)為零）然后反向時(shí)，各塞曼子能級(jí)跟隨著發(fā)生簡(jiǎn)并隨即再分裂。能級(jí)簡(jiǎn)并時(shí)銣的子分布由于碰撞等導(dǎo)致自旋方向混雜而失去了偏極化，所以重新分裂后各塞曼子能級(jí)上的粒子數(shù)又近似相等，對(duì)D1光的吸收又達(dá)到最大值，這樣就觀(guān)察到了光抽運(yùn)信號(hào)，如圖13.磁共振信號(hào)的觀(guān)察掃場(chǎng)方式選擇“三角波”，將水平場(chǎng)電流預(yù)置為0.7A左右，并使水平磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)方向相同(由指南針判斷)。垂直場(chǎng)的大小和偏振鏡的角度保持前面的狀態(tài)不變。調(diào)節(jié)射頻信號(hào)發(fā)生器，頻率可以觀(guān)察到共振信號(hào)如圖2，對(duì)應(yīng)波

17、形，可讀出頻率及對(duì)應(yīng)的水平場(chǎng)電流I。再按動(dòng)水平場(chǎng)方向開(kāi)關(guān)，使水平場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)方向相反。同樣可以得到。這樣水平磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的頻率為,即排除了地磁場(chǎng)水平分量及掃場(chǎng)直流分量的影響。用三角波掃場(chǎng)法觀(guān)察磁共振信號(hào)時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)值與射頻頻率滿(mǎn)足共振條件式時(shí)，銣原子分布的偏極化被破壞，產(chǎn)生新的光抽運(yùn)。因此，對(duì)于確定的頻率，改變磁場(chǎng)值可以獲得Rb87或Rb85的磁共振。可得到磁共振信號(hào)的圖像。對(duì)于確定的磁場(chǎng)值（例如三角波中的某一場(chǎng)值），改變頻率同樣可以獲得Rb87或Rb85的磁共振。實(shí)驗(yàn)中要求在選擇適當(dāng)頻率（600KHz）及場(chǎng)強(qiáng)的條件下，觀(guān)察銣原子兩種同位素的共振信號(hào)并詳細(xì)記錄所有參量。4測(cè)量g因子

18、為了研究原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，測(cè)準(zhǔn)gF因子時(shí)很有用的。我們用的亥姆霍茲線(xiàn)圈軸線(xiàn)中心處的磁感強(qiáng)度為式中N為線(xiàn)圈匝數(shù)，r為線(xiàn)圈有效半徑（米） I為直流電流（安）。B為磁感強(qiáng)度（特斯拉），式hv= gFuBB0中，普朗克常數(shù)h=6.626×10-34焦耳秒，玻爾磁子uB=9.274×10-24焦耳/特斯拉。利用兩式可以測(cè)出gF因子值。要注意，引起塞曼能級(jí)分裂的磁場(chǎng)是水平方向的總磁場(chǎng)(地磁場(chǎng)的豎上分量已抵消)，可視為B=B水平+ B地+ B掃，而B(niǎo)地、B掃的直流部分和可能還有的其它雜散磁場(chǎng)，所有這些都難以測(cè)定。這樣給直接測(cè)量gF因子帶來(lái)困難，但只要參考霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中用過(guò)的換向方法，就不

19、難解決了。測(cè)量gF因子實(shí)驗(yàn)的步驟自己擬定。有實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算出Rb87或Rb85的gF因子值。計(jì)算理論值并與測(cè)量值進(jìn)行比較。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1、圖形展示光抽運(yùn)信號(hào) 磁共振信號(hào) 2、公式2h=gB(B1+B2); 理論上Rb85g因子為1/3. Rb87g因子為1/2.射頻場(chǎng)頻率（KHZ）Rb85對(duì)應(yīng)的電流值Rb87對(duì)應(yīng)的電流值掃場(chǎng)方向和水平場(chǎng)的方向Rb85g因子Rb87g因子6500.2530.151同方向（按下）0.3317004210.5017387670.3460.245反方向（彈起）9600.3900.244同方向（按下）0.334603990.5050735070.4870.

20、337反方向（彈起）平均值 0.333152205 0.503406137誤差0.054%0.68%五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)由于我們距離學(xué)習(xí)原子物理的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于其中所涉及到的實(shí)驗(yàn)原理有些不理解的地方，當(dāng)老師講解過(guò)后，我們加深對(duì)原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)、光抽運(yùn)、光躍遷及光磁共振的過(guò)程的理解。對(duì)于整個(gè)過(guò)程有了深刻的理解，最終順利實(shí)驗(yàn)測(cè)定銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)的郎德因子g。 微波順磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告 【摘要】本次實(shí)驗(yàn)在了解微波的一些基本原理的基礎(chǔ)上來(lái)觀(guān)察微波順磁共振信號(hào)，并進(jìn)行g(shù)因子的計(jì)算?！娟P(guān)鍵詞】電子自旋、順磁性、 g因子 、共振躍遷【引言】由不配對(duì)電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù)，可用于從定性和定量方面檢

21、測(cè)物質(zhì)原子或分子中所含的不配對(duì)電子，并探索其周?chē)h(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。對(duì)自由基而言，軌道磁矩幾乎不起作用，總磁矩的絕大部分(99以上)的貢獻(xiàn)來(lái)自電子自旋，所以電子順磁共振亦稱(chēng)“電子自旋共振”(ESR)。EPR現(xiàn)象首先是由蘇聯(lián)物理學(xué)家 .扎沃伊斯基于1944年從MnCl2、CuCl2等順磁性鹽類(lèi)發(fā)現(xiàn)的。物理學(xué)家最初用這種技術(shù)研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。以后化學(xué)家根據(jù) EPR測(cè)量結(jié)果，闡明了復(fù)雜的有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵和電子密度分布以及與反應(yīng)機(jī)理有關(guān)的許多問(wèn)題。美國(guó)的B.康芒納等人于1954年首次將EPR技術(shù)引入生物學(xué)的領(lǐng)域之中,他們?cè)谝恍┲参锱c動(dòng)物材料中觀(guān)察到有自由基存

22、在。60年代以來(lái)，由于儀器不斷改進(jìn)和技術(shù)不斷創(chuàng)新,EPR技術(shù)至今已在物理學(xué)、半導(dǎo)體、有機(jī)化學(xué)、絡(luò)合物化學(xué)、輻射化學(xué)、化工、海洋化學(xué)、催化劑、生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。【正文】一、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)泡利原理:每個(gè)分子軌道上不能存在兩個(gè)自旋態(tài)相同的電子，因而各個(gè)軌道上已成對(duì)的電子自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成對(duì)電子的物質(zhì)才具有永久磁矩，它在外磁場(chǎng)中呈現(xiàn)順磁性。電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩s=geb ，其中b是玻爾磁子；ge是無(wú)量綱因子，稱(chēng)為g因子。自由電子的g因子為ge=2.0023，單個(gè)電子磁矩在磁場(chǎng)方向分量=1/2geb外磁場(chǎng)H 的作用下，只能有兩個(gè)

23、可能的能量狀態(tài)。即 E=±1/2gH，能量差EgH這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼分裂(Zeeman splitting)。電子具有：電子自旋磁矩和外磁場(chǎng)的相互作用能：若設(shè)外磁場(chǎng)加在Z軸方向上，則有：這里：共振條件： 如果在垂直于H的方向上施加頻率為h的電磁波，當(dāng)滿(mǎn)足下面條件： hgH 則處于兩能級(jí)間的電子發(fā)生受激躍遷，導(dǎo)致部分處于低能級(jí)中的電子吸收電磁波的能量躍遷到高能級(jí)中。這就是順磁共振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中受激躍遷產(chǎn)生的吸收信號(hào)經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)處理可得到EPR吸收譜線(xiàn)，EPR波譜儀記錄的吸收信號(hào)一般是一次微分線(xiàn)型，或稱(chēng)：一次微分譜線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖： 二、實(shí)驗(yàn)步驟1、連接實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，講可變衰減器旋至最大，開(kāi)啟

24、系統(tǒng)各儀器電源，預(yù)熱20分鐘。同時(shí)自習(xí)閱讀各儀器的使用說(shuō)明書(shū)，熟悉各儀器的使用和調(diào)節(jié)方法，以及注意事項(xiàng)。2、調(diào)節(jié)各儀器至工作狀態(tài)。3、將順次共振的實(shí)驗(yàn)儀的旋鈕和按鈕作如下設(shè)置：“磁場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低，“掃場(chǎng)”順時(shí)針調(diào)到最大。按下檢波按鈕，掃場(chǎng)按鈕彈起，此時(shí)磁共振實(shí)驗(yàn)儀處于檢波狀態(tài)。4、將樣品位置刻度尺置于90mm處，樣品腔置于磁靴正中央，并將單螺旋調(diào)配器的探針逆時(shí)針旋至“0”刻度。5、調(diào)節(jié)可變衰減器及檢波靈敏度旋鈕使磁共振實(shí)驗(yàn)儀的調(diào)諧電表指示占滿(mǎn)刻度的2/3以上。然后用波長(zhǎng)表測(cè)定微波信號(hào)的頻率。6、為使樣品諧振腔對(duì)微波信號(hào)諧振，調(diào)節(jié)樣品諧振腔的可調(diào)終端活塞，使調(diào)諧電表指示最小，此時(shí)，樣品諧振腔

25、中的駐波分布如下圖。7、然后按下掃場(chǎng)按鈕，此時(shí)調(diào)諧電表指示為掃場(chǎng)電流的相對(duì)指示，調(diào)節(jié)掃場(chǎng)旋鈕可改變掃場(chǎng)電流。然后順時(shí)針調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流，當(dāng)電流達(dá)到1.71.9A之間時(shí)，即可出現(xiàn)下圖所示的電子共振信號(hào)。 8、g因子的測(cè)定，讀取磁共振儀的電流值，根據(jù)磁共振實(shí)驗(yàn)儀輸出電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的數(shù)值的關(guān)系曲線(xiàn)，確定共振時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的頻率，帶入公式。 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析1、用波長(zhǎng)表測(cè)定微波信號(hào)的頻率，得出結(jié)果。波長(zhǎng)表可變衰減器隔離器震蕩器頻率f3.075m0mm3.852mm9370MHz2、按照步驟調(diào)出共振圖像選取圖像依據(jù)：掃場(chǎng)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，對(duì)應(yīng)的圖像共振兩次，此時(shí)共振是掃場(chǎng)幾乎處于零點(diǎn)。電流I

26、=2.152A3、測(cè)量磁場(chǎng)大小當(dāng)兩個(gè)共振點(diǎn)距離相等時(shí)，測(cè)量磁場(chǎng)大小，我們知道要產(chǎn)生共振，頻率是固定的9370MHz，已經(jīng)調(diào)好，所以對(duì)應(yīng)的B0也就可以確定下來(lái)。磁感應(yīng)強(qiáng)度用特斯拉計(jì)測(cè)量，B=0.338T。123平均B（mT）333340342338g因子計(jì)算：據(jù)其中h= 6.626068 × 10-34 m2 kg / s，=9370MHZ，玻爾磁子B = 9.274×10-24 J·T-1，計(jì)算得到g=1.9806，理論值g=2.0023，相對(duì)誤差為1.08%。四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我們了解到了順磁共振的基本原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出共振圖像，順利計(jì)算出g因子，與理

27、論值進(jìn)行比較，誤差很小。在本次實(shí)驗(yàn)中，更深一步的了解了衰減器、波長(zhǎng)表、檢波器、示波器等儀器的使用。熟練掌握調(diào)節(jié)出共振圖像的基本步驟，并對(duì)其中的原理有了充分的了解。核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告【摘要】本次實(shí)驗(yàn)在了解核磁共振的基礎(chǔ)上，用掃頻法觀(guān)察核磁共振現(xiàn)象，并測(cè)定g因子，同時(shí)比較摻入順磁物質(zhì)濃度不同的水樣品，觀(guān)察它們吸收信號(hào)之間的差異?！娟P(guān)鍵詞】核磁 吸收 共振圖像 g因子【引言】元素周期表中絕大多數(shù)元素都有核自旋和核磁矩不為零的同位素。這些核在恒定磁場(chǎng) B和橫向高頻磁場(chǎng)bo()的同時(shí)作用下,在滿(mǎn)足N=NB 的條件下會(huì)產(chǎn)生核磁共振（N為核磁旋比）,也可在恒定磁場(chǎng)B突然改變方向時(shí),產(chǎn)生頻率為o=B、振幅隨時(shí)間

28、衰減的核自由進(jìn)動(dòng)，它在某些方面與核磁共振有相似之處。在固體中，核受到外加場(chǎng)Be和內(nèi)場(chǎng)Bi的作用，使共振譜線(xiàn)產(chǎn)生微小的移位(約0.11)，在金屬中稱(chēng)為奈特移位，在一般化合物中稱(chēng)為化學(xué)移位，在序磁材料中由于核外電子的極化會(huì)產(chǎn)生約1010T的內(nèi)場(chǎng)，稱(chēng)為超精細(xì)作用場(chǎng)。這些移位和內(nèi)場(chǎng)反映核周?chē)瘜W(xué)環(huán)境（指電子組態(tài)和原子分布等）的影響。研究核磁共振中的能量交換和轉(zhuǎn)移的弛豫過(guò)程，包括核自旋自旋弛豫和核自旋點(diǎn)陣弛豫兩種過(guò)程，也反映化學(xué)環(huán)境的影響。因此，核磁共振起著探測(cè)物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的微探針作用。目前，核磁共振已成為研究各種固體（包括無(wú)機(jī)、有機(jī)和生物大分子材料）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程的重要方法。新發(fā)

29、展的核磁共振成像技術(shù)不但與超聲成像和X射線(xiàn)層析照相有相似的功能,而且還可能顯示化學(xué)元素和弛豫時(shí)間的分布。【正文】一、實(shí)驗(yàn)原理 按照量子力學(xué)，原子核角動(dòng)量的大小由決定，式中為普朗克常數(shù)，I為核自旋量子數(shù)，對(duì)于氫核I=1/2。把氫核放在外磁場(chǎng)B中，取坐標(biāo)軸z方向?yàn)锽的方向。 任何兩個(gè)能級(jí)間能量差，對(duì)氫核而言，自旋量子數(shù)I=1/2，所以磁量子數(shù)m只能取兩個(gè)值，即m=1/2和m=-1/2。磁矩在外場(chǎng)方向上的投影也只能取兩個(gè)值。氫核能級(jí)在磁場(chǎng)中的分裂 根據(jù)量子力學(xué)選擇定則，只有的兩個(gè)能級(jí)之間才能發(fā)生躍遷，其能量差為。由此公式可知：相鄰兩個(gè)能級(jí)差與外磁場(chǎng)B的大小成正比，磁場(chǎng)越強(qiáng)，則兩個(gè)能級(jí)分裂也越大。 若

30、實(shí)驗(yàn)時(shí)外磁場(chǎng)為B0，用頻率為0的電磁波照射原子核，如果電磁波的能量h0恰好等于氫原子核兩能級(jí)能量差，即，則氫原子核就會(huì)吸收電磁波的能量，由m=1/2的能級(jí)躍遷到m=-1/2的能級(jí)，這就是核磁共振吸收現(xiàn)象，上式就是核磁共振條件。 如果處于高能級(jí)上的核數(shù)目與處于低能級(jí)上的核數(shù)目沒(méi)有差別,則在電磁波的激發(fā)下,上下能級(jí)上的核都要發(fā)生躍遷, 并且躍遷幾率是相等的,吸收能量等于輻射能量,觀(guān)察不到任何核磁共振信號(hào)。 只有當(dāng)?shù)湍芗?jí)上的原子核數(shù)目大于高能級(jí)上的核數(shù)目, 吸收能量比輻射能量多,這樣才能觀(guān)察到核磁共振信號(hào)。 在熱平衡狀態(tài)下,核數(shù)目在兩個(gè)能級(jí)上的相對(duì)分布由玻爾茲曼因子決定:式中N1為低能級(jí)上的核數(shù)目，

31、N2為高能級(jí)上的核數(shù)目，為上下能級(jí)間的能量差，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，<<, 所以上式可近似寫(xiě)為 上式說(shuō)明，低能級(jí)上的核數(shù)目比高能級(jí)上的核數(shù)目略微多一點(diǎn)。 本實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)波的方法。首先有用此帖產(chǎn)生一個(gè)恒定勻強(qiáng)磁場(chǎng)B01，再由掃場(chǎng)線(xiàn)圈在B01上疊加一個(gè)旋進(jìn)磁場(chǎng)B02= Asin0t疊加后的勻強(qiáng)磁場(chǎng)為B0=B01+Asin0t，即其在一定范圍內(nèi)做正弦運(yùn)動(dòng)。有信號(hào)檢測(cè)器在探頭內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與B0垂直的正弦運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)B1=Asin0t其中B1的角頻率可調(diào)。設(shè)B=/,則每當(dāng)B1在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中掃過(guò)B時(shí)，產(chǎn)生一次共振。故共振現(xiàn)象隨掃場(chǎng)頻率周期性發(fā)生。由示波器可觀(guān)察共振信號(hào)。二、實(shí)驗(yàn)裝置 核磁共

32、振實(shí)驗(yàn)儀主要包括磁鐵及掃場(chǎng)線(xiàn)圈、探頭與樣品、 邊限振蕩器、 磁場(chǎng)掃描電源、 頻率計(jì)及示波器。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）校準(zhǔn)永久磁鐵中心的磁場(chǎng)Bo ，把樣品為水（摻有三氟化鐵）的探頭下端的樣品盒插入到磁鐵中心，并使電路盒水平放置在磁鐵上方的機(jī)座上，左右移動(dòng)電路盒使它大致處于機(jī)座的中間位置，將電路盒背面的“頻率測(cè)試”和“共振信號(hào)”分別與頻率計(jì)和示波器連接，把示波器的掃描速度旋鈕放在5ms/格位置，縱向放大旋鈕放在0.1V/格或0.2V/格位置，打開(kāi)頻率計(jì)，示波器和邊限振蕩器的電源開(kāi)關(guān)，這時(shí)頻率計(jì)應(yīng)有讀數(shù)，接通可調(diào)變阻器電流到中間位置，緩慢調(diào)節(jié)邊限振蕩器的頻率旋鈕，改變振蕩頻率（由小到大或由

33、大到?。┩瑫r(shí)監(jiān)視示波器，搜索共振信號(hào)。水的共振信號(hào)將出現(xiàn)尾波振蕩，而且磁場(chǎng)越均勻尾波中的振蕩次數(shù)越多。因此一旦觀(guān)察到共振信號(hào)以后，應(yīng)進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)電路盒在木座上的左右位置，使尾波中振蕩的次數(shù)最多，即使探頭處在磁鐵中磁場(chǎng)最均勻的位置，并利用木座上的標(biāo)尺記下此時(shí)電路盒邊緣的位置。作為定量測(cè)量，我們除了要求出待測(cè)量的數(shù)值外，還關(guān)心如何減小測(cè)量誤差并力圖對(duì)誤差的大小作出定量估計(jì)從而確定測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字，從圖可以看出，一旦觀(guān)察到共振信號(hào)，B0的誤差不會(huì)超過(guò)掃場(chǎng)的幅度。現(xiàn)象觀(guān)察：適當(dāng)增大，觀(guān)察到盡可能多的尾波振蕩，然后向左（或向右）逐漸移動(dòng)電路盒在木座上的左右位置，使下端的探頭從磁鐵中心逐漸移動(dòng)到邊緣，同時(shí)觀(guān)察移動(dòng)過(guò)程中共振信號(hào)波形的變化并加以解釋。（2）測(cè)量F19的g因子 把樣品為水的探頭換為樣品為聚四氟乙烯的探頭，并把電路盒放在相同的位置，示波器的縱向放大旋鈕調(diào)節(jié)到50mV/格或20mV/格，用與校準(zhǔn)磁場(chǎng)過(guò)程相同的方法和步驟測(cè)量聚四氟乙烯中F19與B0對(duì)應(yīng)