核磁共振实验报告.docVIP

浙 江 师 范 大 学 实 验 报 告 实验名称核磁共振 班 级 物理071 姓名 骆宇哲 学号 同 组 人 沈宇能 实验日期 09/12/3 室温 气温 核磁共振 摘 要：本实验中 ，学生将会了解核磁共振的基本原理;学习到利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法 关键词：塞曼能级分裂 扫场系统 扫频系统 引 言：核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。1945年12月，美国哈佛大学帕塞尔等人，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号；1946年1月，美国斯坦福大学布洛赫等人，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共振。因此，1945年发现核磁共振现象的美国科学家珀塞耳（Purcell）和布珞赫（Bloch）1952年获得诺贝尔化学奖。以后，许多物理学家进入了这个领域，取得了丰硕的成果。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。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。 正文： 实验原理 　大家知道，氢原子中电子的能量不能连续变化，只能取离散的数值。在微观世界中物理量只能取离散数值的现象很普遍。本实验涉及到的原子核自旋角动量也不能连续变化，只能取离散值 ，其中I称为自旋量子数，只能取0，1，2，3，…整数值或1/2，3/2，5/2，…半整数值。公式中的 ，而h为普朗克常数。对不同的核素，I分别有不同的确定数值。本实验涉及的质子和氟核19F的自旋量子数I都等于1/2。类似地，原子核的自旋动量在空间某一方向，例如z方向的分量也不能连续变化，只能取离散的数值 ，其中量子数m只能取I，I－1，…，－I +1，－I 共（2I+1）个数值。 自旋角动量不为零的原子核具有与之相联系的核自旋磁矩，其大小为 （1） 其中e为质子的电荷，M为质子的质量，g是一个由原子核结构决定的因子，对不同种类的原子核g的数值不同，g称为原子核的g因子，值得注意的是g可能是正数，也可能是负数，因此，核磁矩的方向可能与核自旋角动量方向相同，也可能相反。 当不存在磁场时，每一个原子核的能量相同，所有原子处在同一能级，但是，当施加一个外磁场B后，情况发生变化，为了方便起见，通常把B的方向规定为z方向，由于外磁场B与磁矩的相互作用能为 E=-μ·B=-μzB=-γpzB=-γmB 　 （2） 因此量子m取值不同的核磁矩的能量也就不同，从而原来简并的同一能级分裂为(2I+1)个子能级，由于在外磁场中各个子能级的能量与量子数间隔△E=γB全是一样的。 当施加外磁场B以后，原子核在不同能级上的分布服从玻尔兹曼分布，显然处在下能级的粒子数要比上能级的多, 其数量由△E大小、系统的温度和系统总粒子数决定。若再在与B垂直的方向上再施加上一个高频电磁场（通常为射频场），当射频场的频率满足hν=△E时会引起原子核在上下能级之间跃迁, 但由于一开始处在下能级的核比在上能级的核要多，因此净效果是上跃迁的比下跃迁的多，从而使系统的总能量增加，这相当于系统从射频场中吸收了能量。 我们把hv=△E时引起的上述跃迁称为共振跃迁，简称为共振。显然共振要求hv=△E,从而要求射频场频率满足共振条件： （3） 如果用圆频率=2πν表示，共振条件可写成： ω=γB (4) 对于温度为25摄式度球形容器中水样品的质子，=42.576375 MHz/T，本实验可采用这个数值作为很好的近似值，通过测量质子在磁场B中的共振频率可实现对磁场的校准，即 (7) 反之，若B已经校准，通过测量未知原子核的共振频率v便可求出待测原子核值（通常用值表征）或g因子； (8) （9） 其中=7.622