实验核磁共振实验案例.doc

实验 核磁共振实验 在1946年，美国哈佛大学教授珀塞尔（E·M·Purcell）和斯坦福大学教授布洛赫（F·Bloch），他们用不同的方法同时发现了核磁共振（nuclear magnetic resonance），简称“NMR”。由于这项发明工作是各自独立地完成的，因此两人分别获得了1952年的诺贝尔物理学奖。 如今，“NMR”已在物理、化学、生物学、医学和神经学等方面获得了广泛的应用。在研究物质的微观结构方面已形成了一个科学分支——核磁共振波谱学。利用核磁共振成像技术，美国加州福尼亚大学洛杉机分校的教授们做出了老年痴呆症的脑电图，人们可以清楚地看到老年痴呆症患者大脑灰白质损失从轻微阶段发展到严重阶段的过程。因此2003年诺贝尔医学奖授予了两位研究“NMR”的科学家：劳特波尔和彼德曼斯菲尔德。 实验目的 1．测定氢核（1H）的“NMR”频率（υH），理解“NMR”的基本原理及其条件，精确测定出其恒定外加磁场的大小（B0）。 2．测定氟核（19F）的“NMR”频率（υF），测定氟原子的三个重要的参数－旋磁比（υF）、朗德因子（gF）、自旋核磁矩（μI）。 实验原理 本实验以氢核和氟核为研究对象，下面以氢核为例，应用量子力学的理论，阐明核磁共振的基本原理。 概括地说，所谓“NMR”，就是自旋核磁矩（μI）不为零的原子核，在恒定外磁场的作用下发生塞曼分裂，这时如果在垂直于外磁场方向加上高频电磁场（射频场），当射频场的能量（hυ）刚好等于原子核两相邻能级的能量差时（ΔE），则射频场的能量被原子核吸收，从而产生核磁共振吸收现象，称之为“NMR”。 单个核的核自旋与核磁矩 原子核内所有核子的自旋角动量与轨道角动量的矢量和为，其大小为 ⑴ 其中I为核自旋量子数，人们常称I为核自旋，可取I = 0，1/2，1，3/2，……。对氢核来说，I = 1/2。 由于自旋不为0的原子核有磁矩μ，它和核自旋PI 的关系为 ⑵ 式中mP为质子的质量，gN称为核的朗德因子，它决定于核的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。大多数核的gN为正值，少数核的gN为负值，|gN | 的值在0.1~6之间。对氢核（即质子）来讲gN = 5.585694772。 把氢核放入外磁场中，可取坐标Z方向为的方向。于是，核磁矩μ在外磁场方向的投影为 ⑶ PIB为核的自旋角动量在B方向投影值，由下式决定 ⑷ M为自旋磁量子数，M = I，I -1，……，-I。I一定时，M 共有2I+1个取值。 将公式⑷代入⑶得： ⑸ 式中，称作核磁子，其数值计算得：μN =5.0575866×10-27J/T。 通常把μBmax称作核的磁矩，并记作 　 ⑹ 如以μN为单位μ= gNI，实验测出质子的磁矩μP =2.792847386μN 。 核磁矩μ与核自旋角动量PI的比值叫作旋磁比（magnetogyric ratio），又称磁旋比或回磁比，原子核的旋磁比用γN表示 由公式⑵有 ⑺ 可见，不同的核其γN是不同的，其大小和符号决定于gN，也即决定于核的内部结构与特性。 核磁矩与恒定外磁场的相互作用能 由电磁学知道，磁矩为μ的核在恒定外磁场B中具有势能： ⑻ 任何两个能级之间的能量差为 因氢核的自旋量子数I = 1/2，所以磁量子数M只能取两个值，即1/2与 -1/2。核磁矩在外磁场B方向上的投影也只能取两个值 （当M = -1/2时） （当M = 1/2时） 如图1所示。 根据量子力学的选择定择，只有ΔM = ±1的两个能级之间才能发生跃迁，两个跃迁能