核磁共振核磁共振

核磁共振核磁共振

核磁共振是指原子核在靜電場(chǎng)中的作用下對(duì)固定頻率的射頻電磁波進(jìn)行吸收的現(xiàn)象。核磁共振廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?；驹韺?shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)要求和步驟基本原理

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:

（1）其中：γ為粒子的旋磁比，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)的垂直方向給粒子加上一個(gè)高頻電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)的頻率為ν，能量為:

（2）當(dāng)該能量等于粒子分裂后兩能級(jí)間的能量差ΔE時(shí)即：（3）低能極上的粒子就要吸收高頻電磁場(chǎng)的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。實(shí)驗(yàn)設(shè)備樣品（sample）水：提供實(shí)驗(yàn)用的粒子，氫（1H）核。永磁鐵：提供穩(wěn)恒外磁場(chǎng),中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B0約為0.55T。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)的高頻電磁場(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。繞在永磁鐵外的磁感應(yīng)線圈：其提供一個(gè)疊加在永磁鐵上的掃場(chǎng)。調(diào)壓變壓器：為磁感應(yīng)線圈提供50周的掃場(chǎng)電壓。頻率計(jì)：讀取射頻場(chǎng)的頻率。示波器：觀察共振信號(hào)。圖一實(shí)驗(yàn)原理

由公式（3）可知，為了實(shí)現(xiàn)核磁共振有兩種實(shí)驗(yàn)方法：1、固定外磁場(chǎng)B0，調(diào)節(jié)高頻電磁場(chǎng)頻率ν，實(shí)現(xiàn)核磁共振，此為掃頻法。2、固定高頻電磁場(chǎng)頻率ν，調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)B0，實(shí)現(xiàn)核磁共振，此為掃場(chǎng)法。本實(shí)驗(yàn)用的是第二種實(shí)驗(yàn)方法，即掃場(chǎng)法。在本實(shí)驗(yàn)要測(cè)的一個(gè)物理量是氫質(zhì)子的γ因子，由公式（3）可知，只要知道B0，ν即可求得γ，B0在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中已標(biāo)定（如0.55T），ν可由頻率計(jì)測(cè)出。但是僅此，在本實(shí)驗(yàn)中γ是無法用實(shí)驗(yàn)求出的。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中兩能級(jí)的能量差是一個(gè)精確，穩(wěn)定的量。而實(shí)驗(yàn)用的高頻振蕩器其頻率ν只能穩(wěn)定在103HZ量級(jí)。其能量很難固定在這一值上。實(shí)際上等式(3)在實(shí)驗(yàn)中很難成立。為實(shí)現(xiàn)核磁共振，可在永磁鐵B0上疊加一個(gè)低頻交變磁場(chǎng)BmSinωt，即所謂的掃場(chǎng)（ω為市電頻率50HZ，遠(yuǎn)低于高頻場(chǎng)的頻率ν其約實(shí)驗(yàn)原理

幾十MHZ），使氫質(zhì)子兩能級(jí)能量差γh（B0+BmSin100πt）有一個(gè)連續(xù)變化的范圍。我們調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的頻率ν，使射頻場(chǎng)的能量進(jìn)入這個(gè)范圍，這樣在某一時(shí)刻等式=γ（B0+BmSin100πt）總能成立。（見圖二）

圖二實(shí)驗(yàn)原理此時(shí)通過邊限振蕩器的探測(cè)裝置在示波器上可觀測(cè)到共振信號(hào)。（見圖二）由上圖可見，當(dāng)共振信號(hào)非等間距時(shí)，共振點(diǎn)處的等式為ν=γ（B0+BmSin100πt），BmSin100πt未知。無法利用該等式求出γ值。調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的頻率ν使共振信號(hào)等間距，共振點(diǎn)處100πt=nπ,BmSin100πt=0，此時(shí)的ν為共振信號(hào)等間距時(shí)的頻率，由頻率計(jì)讀出。γ=2πν/B0，γ值可求。（見圖三）圖三實(shí)驗(yàn)原理

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)要求和步驟

1、觀察1H(樣品水)的核磁共振信號(hào)：（記9組數(shù)據(jù)和圖形）a、將邊限振蕩器的“檢波輸出”接示波器的“CH1”端，置示波器的“方式”為CH1。b、將邊限振蕩器的“頻率測(cè)試”端接多功能計(jì)數(shù)器的“輸入A”。c、將邊限震蕩器盒上的樣品小心地從永磁鐵上的插槽放入永磁鐵中。（注意不要碰掉樣品的銅皮）d、將調(diào)壓變壓器插頭接入220V市電插座，輸出設(shè)為100V。e、打開邊限振蕩器電源開關(guān)，調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，使示波器上出現(xiàn)共振信號(hào)。f、調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器使其輸出為50---100V中的某一值,保持該

值不變，記下該值，調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，觀察示波器上共振波形的變化，任選三個(gè)不同的波形畫下，記下相應(yīng)的邊限振蕩器頻率υ（由頻率計(jì)讀出，計(jì)小數(shù)點(diǎn)后三位）。g、調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，將共振信號(hào)調(diào)成不等間距，保持頻率υ不變（如頻率不穩(wěn)定可每次調(diào)回到該頻率值），記下該頻率值。h、改變調(diào)壓器的輸出電壓VV),觀察示波器上共振信號(hào)的變化，任選三個(gè)不同的電壓，畫下相應(yīng)波形，記下相應(yīng)的V值。i、將共振信號(hào)調(diào)成等間距,保持該頻率υ不變,記下該頻率值。改變調(diào)壓器的輸出電壓VV),選三個(gè)不同的電壓V畫下相應(yīng)波形，記下相應(yīng)的V值。

j、對(duì)以上共振信號(hào)波形隨V，υ，變化的原因進(jìn)行討論。

2、測(cè)量H的因子和g因子：a、將樣品放入永磁鐵的磁場(chǎng)最強(qiáng)處（可左右移動(dòng)邊限振蕩器鐵盒，觀察示波器上共振信號(hào)波形，當(dāng)幅值最強(qiáng)波形尾波最多時(shí)樣品即在磁場(chǎng)最強(qiáng)處）。記下此時(shí)盒邊所對(duì)標(biāo)尺的刻度值。b、置示波器掃描時(shí)間為5ms/div,調(diào)節(jié)邊線振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕使共振信號(hào)等間距（間隔為10ms）。c、讀頻率計(jì)，記下此時(shí)的頻率值。d、將信號(hào)調(diào)離等間距重復(fù)以上b--c步驟（此步驟進(jìn)行六次，求頻率的平均值）。e、記下永磁鐵上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0值。f、由公式計(jì)算g和γ因子。3、測(cè)量19F的γ因子和g因子：a、將樣品換成F，并放在