9.1-近代物理实验核磁共振

实验9.1 核磁共振熊波 121120148（南京大学物理学院2012级）引言：在基本实验的基础上，得到三种不同样品的核磁共振谱，并具体计算他们的化学位移与自旋耦合效应。

其次，对自旋耦合效应的相互作用与等间距特点进行了一定的调研，可以从理论上直接证明这些特点。

关键词：核磁共振；化学位移；自旋耦合；§1.引言1946 年，美国斯坦福大学的 Bloch 等人和哈佛大学的 Purcell 等人独立地采用原子核感应法，即同时将一个恒定磁场和沿垂直于恒定磁场方向上的一个交变磁场同时作用于原子核系统上，然后测定由原子核磁矩进动所感应的电动势，发现了核磁共振现象。

后来.Bloch 和 Purcell 因为这一发现而获得了 1952 年度的诺贝尔物理学奖。

今天，核磁共振已成为研究物质结构和原子核的磁性、进行各种化合物的分析租鉴定、精密测定各种原子核磁矩以及作为核磁共振成像仪的重要原理和组成部分在医学上进行诊断的有力工具。

§2.实验原理§2.1 .原子核的基本特性原子由原子核和核外运动的电子所组成。

原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量和磁矩构成了它的基本性质。

众所周知，原子核带正电，所带电量和核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位e( C)的整倍数，称为电荷数。

原子核的质量一般用质量数表示，接近于原子质量单位 u( kg)的整数倍。

原子核由质子和中子所组成。

质子和中子的质量大致相等，但每个质子带正电量e，而中子则不带电。

因此，元素周期表中的原子序数 z 在数值上等于相应原子核外的电子数、核内质子数和核的电荷数。

原子核的半径为m的数量级。

原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有轨道和自旋运动的角动量的总和。

核自旋可用自旋量子数I来表征。

核内的中子和质子都是的粒子。

实验证明，如将原子核按其自旋特性来分类，则可分为三类:(1) 电荷数(即原子序数)与质量数都为偶数的核，如，等，它们的自旋量子数为零;(2) 质量数为单数的核，如，，等，它们的自旋量子数为半整数(，，…) ;(3) 质量数为双数，但电荷数(原子序数)为单数的核，如，等，它们的自旋量子数为整数(1，2，3，…)。

或 (10)
2、经典理论观点
具有磁矩µ的原子核放在恒定磁场B0中，设核角动量为P，则由经典理论可知：
(11)
将（1）式代入（11）式得：
（12）
教
学
进
程
及
时
间
分
配
由推导可知核磁矩µ在恒定磁场B0中的运动特点为：
（1）围绕外磁场B0做进动，进动角频率 ，与µ和B0间夹角θ无关；
（2）它在xy平面上的投影 是一常数；
（13）
可知，θ的变化意味着磁势能E的变化。这个改变是以所加旋转磁场的能量变化为代价的。即当θ增加时，核必然要从外磁场B1中吸收能量，这就是核磁共振现象。共振条件是：
（14）
这一结论与量子力学得出的结论一致。
如果外磁场B1的旋转速度ω1≠ω0，则θ角变化不显著，平均起来变化为零，则观察不到核磁共振信号。
3、弛豫过程与弛豫时间
◆提问：核磁共振有几个物理过程？
在核磁共振时，有两个过程同时起作用，一是受激跃迁，核磁矩系统吸收电磁波能量，其效果是使上下能级的粒子数趋于相等；一是弛豫过程，核磁矩系统把能量传与晶格，其效果是使粒子数趋向于热平衡分布。这两个过程达到一个动态平衡，于是粒子差数稳定在某一新的数值上，我们可以连续地观察到稳态的吸收。
◆提问：弛豫时间T1、T2、的大小是否会影响到共振信号？如何影响的？
教
学
进
程
及
时
间
分
配
4、布洛赫方程
考虑磁场B=B0+B1和弛豫过程对磁化强度M的作用，可简单地得到描述核磁共振现象的基本运动方程：
（15）
该方程称为布洛赫方程。其中B=iB1cosωt-jB1sinωt+kB0。方程（15）的分量式为

【实验装置】
。
总磁场为B=B0+ B~
B~ Bm sinmt 为扫场
图7-1-1 核磁共振实验装置
【核磁共振信号】
图7-1-2（a）核磁共振信号
图7-1-2（b）等间隔核磁共振信号
图7-1-3 瞬时共振吸收信号
【实验内容】
1．方案一（约需4课时） （1）分析磁场不均匀性对核磁共振信号的影响。
肝癌病燥的核磁共振图像
【实验目的】
1、掌握核磁共振的基本原理和实验方法。 2、分析各种因素对核磁共振现象的影响。 3、观察几种物质的核磁共振现象，学习测量核磁共振的方法。
【实验原理】
原子核具有自旋磁矩，核磁矩与外磁场B0的相互作用能为
E

I
B0

I
z B0mB0m I, I 1, ,I 1,I
原来的一个能级分裂为2I+1个次能级（塞曼分裂），相邻次能级 间的能量差为
E 0 B0 g N B0
在稳恒的外磁场B0作用下，如果存在一个与B0和总的核磁矩组成 的平面相垂直的旋转磁场B1，当B1的角频率等于ω0时，原子核 将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振 。
近代物理实验
核磁共振
（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）
周丽霞
布洛赫（Felix Bloch）1905-1983 瑞士裔美国人斯坦福大学理论和实验物理学家 因发现水的核磁共振现象获1952年诺贝尔物理学奖
珀塞尔（Edward Purcell）1912-1997 美国麻省理工学院实验物理学家 因发现石蜡的核磁共振现象获1952年诺贝尔物理学奖
（2）测定CuSO4水溶液和纯水的核磁共振横向弛豫时间T2 ，分析顺磁离子的弛豫效应。

近代物理实验总结通过这个学期的大学物理实验，我体会颇深。

首先，我通过做实验了解了许多实验的基本原理和实验方法，学会了基本物理量的测量和不确定度的分析方法、基本实验仪器的使用等；其次，我已经学会了独立作实验的能力，大大提高了我的动手能力和思维能力以及基本操作与基本技能的训练，并且我也深深感受到做实验要具备科学的态度、认真态度和创造性的思维。

下面就我所做的实验我作了一些总结。

一.核磁共振实验核磁共振实验中为什么要求磁场大均匀度高的磁场?扫场线圈能否只放一个?对两个线圈的放置有什么要求？测量共振频率时交变磁场的幅度越小越好?1, 核磁共振实验中为什么要求磁场大均匀度高的磁场?要求磁场大是为了获得较大的核磁能级分裂。

这样，根据波尔茨曼，低能和高能的占据数（population)的“差值增大，信号增强。

均匀度高是为了提高resolution.2. 扫场线圈能否只放一个?对两个线圈的放置有什么要求?扫场线圈可以只放一个。

若放两个，这两个线圈的放置要相互垂直，且均垂直于外加磁场。

3. 测量共振频率时交变磁场的幅度越小越好?不对。

但是太大也不好（会有信号溢出）应该有合适的FID信号二.密立根有实验对油滴进行测量时，油滴有时会变模糊，为什么？如何避免测量过程丢失油滴？若油滴平很调节不好，对实验结果有何影响？为什么每测量一次tg都要对油滴进行一次平衡调节？为什么必须使油滴做匀速运动或静止？试验中如何保证油滴在测量范围内做匀速运动？1、油滴模糊原因有：目镜清洁不够导致局部模糊或者是油滴的平衡没有调节好导致速度过快为防止测量过程中丢失油滴，油滴的速度不要太大，尽可能比较小一些，这样虽然比较费时间，但不会出现油滴模糊或者丢失现象2、根据实验原理可知，如果油滴平衡没有调节好，则数据必然是错误的，结果也是错误的。

因为油滴的带电量计算公式要的是平衡时的数据因为油滴很微小，所以不同的油滴其大小和质量都有一些差异，导致其粘滞力和重力都会变化，因此需要重新调节平衡才可以确保实验是在平衡条件下进行的。

实验02 核磁共振实验核磁共振，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，美国哈佛大学的珀塞尔等人报道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报道他们在水样品中观察到质子的核感应信号。

两个研究小组采用稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现核磁共振。

因此，布洛赫和珀塞尔荣获了1952年的诺贝尔物理学奖。

以后，许多物理学家进入这个领域，取得丰硕的成果。

目前，核磁共振已经广泛地应用到许多科学领域，是物理、化学、生物和医学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，也是精确测量磁场的重要方法之一。

本实验可证实原子核磁矩的存在及测量原子核磁矩的大小，由此推导出原子核的g 因子、旋磁比γ及核磁矩μ，验证共振频率与磁场的关系002B v γπ=。

它是近代物理实验中具有代表性的重要实验。

【实验目的】1、 了解核磁共振的原理及基本特点。

2、 测定H 核的g 因子、旋磁比γ及核磁矩μ。

3、 观察F 的核磁共振现象，测定F 核的g 因子、旋磁比γ及核磁矩μ。

4、 改变振荡幅度，观察共振信号幅度与振荡幅度的关系，从而了解饱和过程。

5、 通过变频扫场，观察共振信号与扫场频率的关系，从而了解消除饱和的方法。

【仪器用具】ZKY- HG-Ⅱ型核磁共振实验仪（或DH2002型核磁共振实验仪）、示波器【实验原理】下面以氢核为主要研究对象，以此来介绍核磁共振的基本原理和观测方法。

氢核虽然是最简单的原子核，但同时也是目前在核磁共振应用中最常见和最有用的原子核。

一、核磁共振的量子力学描述1．单个核的磁共振通常将原子核的总磁矩在其角动量P 方向上的投影μ称为核磁矩，它们之间的关系通常写成 Pγμ= 或P m e g p2=μ （1） 式中pm e g 2=γ称为旋磁比；e 为电子电荷；p m 为质子质量；g 为朗德因子。

2、脉冲核磁共振
（1）实验装置
脉冲核磁共振仪的结构简图如图7所示，主要由永磁铁、匀场线圈、射频脉冲发生器、射频探头和信号采集系统组成。
图7脉冲核磁共振仪的结构
（2）工作原理
在求解布洛赫方程的稳态解过程中引入一个角频率为 的旋转坐标系中，设某时刻，在垂直于 方向上施加一射频磁脉冲 ，其脉冲宽度满足 。在施加脉冲前， 处在热平衡状态，方向与z轴重合；施加脉冲后， 以角频率 绕 轴进动。 转过的角度 称作倾倒角。脉冲宽度恰好使 或 ，称这种脉冲为90°或180°脉冲。
图1磁矩在恒定外磁场中的进动图2 在转动的坐标系下的进动 图3在实验室坐标系看 的运动
（2） 在随时间变化的磁场中的运动
除了在z方向上加了 外，我们在x-y方向上加了以 转动的磁场 。经过计算，我们发现在转动的坐标系中有效磁场是一个静止磁场，因此我们可以认为 在绕 进动如图2。我们可以理解为绝对运动等于相对运动叠加牵连运动，若 按照 转动且 ≤ ，则 讲一方面绕z转动另一方面绕x作进动如图3，可以看作是一个锥面有球的顶点展开最后收回到球的下顶点。
带入旋磁比 式可得： （7）
显然，磁矩的运动与所处磁场的性质有关。
（1） 在静磁场中的运动
设外加磁场 ，令 ，可以得到（7）式的解：
（8）
其中 为 与 的夹角，是由初始条件决定的常数，由此可见，在外加静磁场 作用下，总磁矩 绕静磁场进动，进动角频率即拉摩频率 。 与 无关， 确定后 在x-y平面上的投影 和在z轴上的投影 都是常数，如图1所示。
是自旋体系与环境相互作用时的速度量度， 的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对 的测定可知样品核的信息。
4、布洛赫方程和其稳态解
布洛赫假设磁场和核自旋体系的自发弛豫两者独立地堆宏观磁化强度 发生作用，从而导出了布洛赫方程:

核磁共振实验报告姓名:牟蓉学号：201011141054日期：2013。

4。

11 指导老师：王海燕摘要本实验利用连续核磁共振谱仪测量了不同浓度的CuSO4水溶液的共振信号，并估算样品的横向弛豫时间;同时利用核磁共振仪采用90︒-180︒双脉冲自旋回波法测量其横向弛豫时间。

两种方法都能观察到核磁共振现象，并且随着CuSO浓度增加,其横向弛豫时间逐渐减小。

4关键词核磁共振连续核磁共振波谱仪脉冲波谱仪自旋回波法横向弛豫时间一、引言核磁共振技术（NMR）是由布洛赫（Felix Bloch）和玻赛尔(Edward Purcell）于1945年分别独立的发明的，大大提高了核磁矩测量的精度，从发现核磁共振现象而产生的连续波核磁共振技术，到70年代初提出的脉冲傅里叶变换（PFT)技术和后来的核磁共振成像,在核磁共振这一领域中已多次获得诺贝尔物理学家。

NBR不仅是一种直接而准确的测量原子核磁矩的方法，而且已成为研究物质微观结构的工具,如研究有机大分子结构,精确测量磁场及固体物质的结构相变，另外还成为了检查人体病变方面的有力武器，在生物学、医学、遗传学等领域都有重要应用。

本实验以水中的氢核为主要对象，通过用了两种方法测量不同浓度的溶液的横向弛豫时间，来掌握核磁共振技术的基本原理和观测方法。

二、实验原理1.核磁共振的量子力学描述当原子核置于外磁场中，由于核磁矩与外磁场的相互作用使得原子核获得附加能量，即（1）其中为核磁矩，为旋磁比，。

在磁能级分裂后,相邻两个磁能级间的能量差=。

遵守磁能级之间跃迁的量子力学选择定则，若在垂直于的平面内加上一个射频磁场，当f=时，处于较低能态的核会吸收电磁辐射的能量而跃迁到较高能态，即核磁共振.2. 核磁共振的宏观理论在外磁场中核磁矩的取向量子化基础上，布洛赫利用法拉第电磁感应理论,建立了著名的布洛赫方程，用经典力学的观点系统地描述了核磁共振现象。

有角动量P 和磁矩μ的粒子在外磁场B 中受到力矩L B μ=⨯的作用，其运动方程为 dPL B dtμ==⨯ （2） 将(2)式代入上式,得d B dtμγμ=⨯ (3) 当磁矩在外加静磁场0B （沿z 轴方向)中,若令00B ωγ=，对式（3）进行求解得（4）其中为μ与间的夹角，可知微观磁矩μ绕静磁场进动，进动平面上的投影μ⊥角频率即拉摩尔频率00B ωγ=，μ在x —y 所示。

微波顺磁共振和核磁共振【摘要】：微波顺磁共振实验利用扫场法测量g因子，进一步了解和掌握微波器件在电子自由共振中的应用；核磁共振实验在了解核磁共振原理的基础上，用扫频法观察核磁共振现象，利用核磁共振校准磁场和测量g因子。

【关键词】：扫场法扫频法 g因子【引言】：顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（ESR），是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。

它在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，广泛应用于物理、化学、生物及医学等领域。

核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象，产生的内因是原子具有自旋角动量和磁矩。

泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年为埃斯特曼在实验上得到证实，表明原子核具有电荷分布，还有自旋角动量和磁矩。

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，是分析测量不可缺少的实验手段。

【实验方案】：一、实验装置●微波顺磁共振实验系统●核磁共振实验系统二、 实验原理磁共振的研究对象是处于磁场中的磁矩，共振指的是外界频率与物体固有频率一致时，振幅增加的现象，即能量间的转移。

磁共振的的条件为h N v B g μ••=；其中，h = 6.627⨯-3410J S •为普朗克常量，v 为共振频率， B 为外加磁场强度， 常数μ为常数， Ng为比例因子（g 因子表征核的本性）。

公式中有两个常数和三个未知数，根据其中任意两个未知数可求出剩余的一个未知数。

●固定B 、N g 可以求v ，且1v T=，可以精确的测量时间，如GPS 系统。

● 固定v 、N g 可以求B ，可以精确的测量磁场强度。

●固定v 、B 可以求N g ，可以测量g 因子，求出对应的不同物质的性质。

三、 实验步骤 ● 微波顺磁共振（固定v =9370MHz ，调节B ）1.将可变衰减器顺时针旋至最大，“磁场”调节旋钮逆时针调到最低，“扫场”调节顺时针调到最大。

1与外磁场平行能量低磁量于核自身的旋转而外磁场又力求它取向于磁场方向在这两种力的作用下核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋这种运动称为larmor进动
第三章 核磁共振氢谱
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy; NMR
☆ 有机化合物的测定和确认 ☆ 化合物的纯度 分析混合物(主要信号不重迭 主要信号不重迭) ☆ 分析混合物 主要信号不重迭 ☆ 化学变化的化学动力学
22:01:34
z H0
z m=1/2 m=1 m=0 m= -1
z m=2 m=1 m=0 m= -1 m= -2 I=2
m=-1/2 I=1 I=1/2
在Η0中原子核的自旋取向
22:01:34
• 磁矩与磁场相互作用能为E, E = - µzH0 E(+1/2) = - µzH0 = - γ·(+1/2)h/2π·H0 E(-1/2) = - µzH0 = - γ·(-1/2)h/2π·H0 • 由量子力学的选律可知, 只有∆m = ±1的 跃迁才是允许的跃迁。所以相邻两能级间 的能量差为： ∆ E = E(-1/2) - E(+1/2) = γ·h/2π·H0 • 上式表明，∆ E 与外加磁场H0的强度有关， ∆ E随H0场强的增大而增大。
22:01:34
3.1.2 核磁共振现象
nuclear magnetic resonance
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。 当置于外磁场H0中时，相对 于外磁场，有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向 （两个能级）： (1)与外磁场平行，能量低，磁量 子数ｍ＝＋1/2; (2)与外磁场相反，能量高，磁量 子数ｍ＝－1/2;

h 6.626 1034 J s
谢谢观看
塞曼子能级形成R（b87
为例I=3/2）
L: 电子的轨道量子数
S：电子的自旋量子数
J: 轨道角动量和自旋角动量藕合成总的角动量
量子数 J L+S....... L S
I：ห้องสมุดไป่ตู้自旋量子数
F：核自旋与电子总角动量耦合成原子的总角动
量量子数 F J I...... J I
MFu：F 磁量B子和数
• 2）如何区分磁共振信号与光抽运信号？ • 4）本实验能否用光进行光抽运？它对用光抽运有利还是有害？为什么？ • 5）扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？ • 6）本实验的磁共振发生在哪些能级间？ • 7) 使用周期性的“扫描场”有什么好处? • 8) 用方波观察“光抽运”信号时，方波的幅度必须足够大，为什么? • 9) 怎样测量地磁场? 你的测量方案的根据是什么?
5 2r
5 2r
Fig.6
地磁场水平分量测量原
实验注意事项
• 尽量将整个装置置于罩子中，避免外界光的影响； • 注意尽量将装置的光轴尽量调节得与地磁场水平方向一致； • 尽量避免外界磁场对光磁抽运和共振信号的影响； • 用指南针判定好水平场、扫场的方向后，取下指南针。
实验思考题
• 1）如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关 系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？
• 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器上观察光抽运信号， 得到如下图所示的扫场和光抽运信号的对照图：
脉
冲
幅
扫场方波
度
t
信
号
幅
度
信号波形
t
Fig.3 光抽运信号

2016/10/10 10:24:00近代物理实验报告2实验名称：光磁共振指导教师：刘洋专业：物理班级：求是物理班1401姓名：朱劲翔学号：3140105747实验日期：2016.11.23实验目的：1．加深对超精细结构原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。

2．掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法。

3．测定铷(Rb )原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。

实验原理：1 铷原子基态及最低激发态能级的塞曼分裂天然铷含量大的同位素有两种：Rb 85占72.15%,Rb 87占27.85%。

铷是一价碱金属原子（原子序数为37），基态是2125S ，即电子的轨道量子数0=L ，自旋量子数21=S 。

轨道角动量与自旋角动量耦合成总的角动量J 。

由于是LS 耦合，S L J +=，···,S L J -=。

铷的基态21=J 。

铷原子的最低光激发态是125P 及2325P 双重态，它们是LS 耦合产生的双重结构，轨道量子数L=1，自旋量子数 S=1/2。

2125P 态J=1/2；325P 态J=3/2。

在5P 与5S 能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别强，2125P 到2125S 跃迁产生的谱线为1D 线，波长为nm 8.794，325P 到2125S 的跃迁产生的谱线为2D 线，波长是nm 0.780。

原子物理学中已给出核自旋I=0时，原子的价电子LS 耦合后总角动量J P与原子总磁矩J μ的关系：Je J J P m e g2-=μ (4-1))1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J(4-2)其中式中J g 为铷原子精细结构朗德因子。

当I ≠0时，Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2。

设核自旋角动量为I P ，核磁矩为I μ，I P 与J P 耦合成F P，有J I F P P P +=。

深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：光磁共振实验报告学院：物理科学与技术学院组号 09 指导教师：陈静秋报告人：学号：班级： 01实验地点科技楼B105 实验时间：实验报告提交时间：mF=F，F－1，…，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级．设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场B0相互作用的能量为E＝－μF·B0＝gF mF μF B0 （9.4.1）这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μB＝9．2741×10－24J·T－1 ，朗德因子gF= gF [F(F+1)+J(J+1)－I（I＋1）] ? 2F（F＋1）（9.4.2）其中gJ= 1+[J(J+1)－L(L+1)+S（S＋1）] ? 2J（J＋1）（9.4.3）上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式（9.4.1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差ΔE＝gF μB B0 ，（9.4.4）式中ΔE与B0成正比关系，在弱磁场B0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．2．光抽运效应．在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式(9．0.12)表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差ΔE很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场B0的方向相同，则左旋圆偏振的σ﹢光的电场E绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为?；右旋圆偏振的σ－光的电场E绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－?；线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．现在以铷灯作光源．由图9.4.1可见，铷原子由5 2P1?2→5 2S1?2的跃迁产生D1线，波长为0．7948μm；由5 2P3?2→5 2S1?2的跃迁产生D2线，波长为o．7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为ΔL＝±1 ，Δ F＝0，±1，ΔmF＝±1 。

原来的一个能级分裂为2I+1个次能级（塞曼分裂），相邻次能级 间的能量差为
E 0 B0 g N B0
在稳恒的外磁场B0作用下，如果存在一个与B0和总的核磁矩组成 的平面相垂直的旋转磁场B1，当B1的角频率等于ω0时，原子核 将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振 。
近代物理实验
核磁共振
（Nuclear Magnetic Resonancech）1905-1983 瑞士裔美国人斯坦福大学理论和实验物理学家 因发现水的核磁共振现象获1952年诺贝尔物理学奖
珀塞尔（Edward Purcell）1912-1997 美国麻省理工学院实验物理学家 因发现石蜡的核磁共振现象获1952年诺贝尔物理学奖
肝癌病燥的核磁共振图像
【实验目的】
1、掌握核磁共振的基本原理和实验方法。 2、分析各种因素对核磁共振现象的影响。 3、观察几种物质的核磁共振现象，学习测量核磁共振的方法。
【实验原理】
原子核具有自旋磁矩，核磁矩与外磁场B0的相互作用能为
E

I
B0

I
z B0

mB0
m I, I 1, ,I 1,I
【预习问题】
1、什么是核磁共振？哪些物质中可以观察到核磁共振现象？实验中是怎么观 察核磁共振的？ 2、调制磁场的作用是什么？没有调制磁场能否观察到共振信号？为什么？ 3、阅读实验资料，结合实验比较内扫法和移相法的异同点。 4、阅读实验资料，结合实验分析磁场空间分布不均匀性对共振信号的影响。 5、概述边限振荡器的原理。 6、CuSO4水溶液和纯水的核磁共振信号有何区别？ 7、如何调节才能观察到HF中H核和F核的核磁共振信号？ 8、甘油的核磁共振信号的精细结构如何？

实验五 核磁共振观测目的：1、初步了解核磁共振的原理及是实验装置；2、初步学会利用扫频法观察氢核的核磁共振现象；3、加深对核自旋的认识仪器：CNMR －1 核磁共振仪原理： 1、核磁共振：指在外磁场作用下氢原子核系统中磁能级之间发生共振跃迁的现象。

具体的说，就是原子核的自旋磁矩I u 在外恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场发生拉莫尔进动，若此时在垂直于外磁场的平面上施加一交变电磁场，当此交变射频场频率等于核磁矩绕恒定外磁场进行拉莫尔进动的频率时，发生谐振的现象；其表现是核磁共振吸收能量。

如图所示：2、核磁共振的作用：原子核可以看成自然界安排在物质内部的微小探针。

只要很小的射频量子能量（eV 410≤）就可以探测到物质微观结构的信息，由于原子核成对相互作用对局部环境很敏感，核磁共振信号可提供丰富的物资结构信息，诸如谱线宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场方向上准确位置，精细结构等，对确定物质分子结构、组成和性质等研究有重要价值。

3、核磁共振吸收：A ：γ旋磁比：对于质子数和中子数两者或其一为奇数的原子核有核自旋，其磁矩u 与核自旋角动量J 成正比。

可写成：01 J u I γ=γ即旋磁比，其值可正可负，由核的本性决定。

B ：g 因子，是一个无量纲因子，实验上常用以代替γ，其间关系为：（)1(2)1()1()1(1++++-++=j j s s l l j j g ）()()()1121+=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+==I I gu I I h m e g h I I J u n p I γγ02 其中I 为核自旋量子数，n u 玻尔核磁矩，e 电子电荷，p m 质子质量。

c ：外磁场作用：当核自旋系统处在恒定磁场Z B 中时，由于核自旋和磁场Z B 的互相作用，核能级发生塞曼能级分裂。

对于氢核21=I 的简单核系统，核能级分裂成上、下两个能级2E 和1E ，上、下两能级上的自旋粒子数分别为2N 和1N ，热平衡时自旋粒子随能量增加按指数规律下降，有21N N ≥。

一、 夫兰克—赫兹实验 1解释曲线I p －V G2形成的原因答；充汞的夫兰克-赫兹管,其阴极K 被灯丝H 加热,发射电子;电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量,并与汞原子碰撞,栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ,只有穿过栅极后仍有较大动能的电子,才能克服拒斥电场作用,到达板极形成板流A I ;2实验中,取不同的减速电压V p 时,曲线I p －V G2应有何变化为什么答；减速电压增大时,在相同的条件下到达极板的电子所需的动能就越大,一些在较小的拒斥电压下能到达极板的电子在拒斥电压升高后就不能到达极板了;总的来说到达极板的电子数减小,因此极板电流减小;3实验中,取不同的灯丝电压V f 时,曲线I p －V G2应有何变化为什么答；灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大,灯丝的温度升高,从而在其他参数不变得情况下,单位时间到达极板的电子数增加,从而极板电流增大;灯丝电压不能过高或过低;因为灯丝电压的高低,确定了阴极的工作温度,按照热电子发射的规律,影响阴极热电子的发射能力;灯丝电位低,阴极的发射电子的能力减小,使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少,从而使板极A 所检测到的电流减小,给检测带来困难,从而致使A GK I U 曲线的分辨率下降；灯丝电压高,按照上面的分析,灯丝电压的提高能提高电流的分辨率;但灯丝电压高, 致使阴极的热电子发射能力增加,同时电子的初速增大,引起逃逸电子增多,相邻峰、谷值的差值却减小了; 二、 塞曼效应1、什么叫塞曼效应,磁场为何可使谱线分裂答；若光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别而不同;后人称此现象为塞曼效应;原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩;总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进从而可以使谱线分离2、叙述各光学器件在实验中各起什么作用答；略3、如何判断F-P标准具已调好答；实验时当眼睛上下左右移动时候,圆环无吞吐现象时说明F-P标准具的两反射面平行了;4、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的π成分和σ成分如何观察和分辨σ成分中的左旋和右旋偏振光答；沿着磁场方向观测时,M∆=-1时为左旋偏振光;在实∆=+1为右旋圆偏振光,M验中,+σ成分经四分之一玻片后,当偏振片透振方向在一、三象限时才可观察到,因此为相位差为π2的线偏振光,所以+σ成分为右旋偏振光;同理可得-σ成分为左旋偏振光;三、核磁共振1、什么叫核磁共振答；自旋不为零的粒子,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,分裂若发生在原子核上则我们称为,核磁共振;2、观测NMR吸收信号时要提供哪几种磁场各起什么作用各有什么要求答两种;第一种恒磁场B0使核自旋与之相互作用核能级发生塞曼分裂分裂为两个能级第二种垂直于B0的B1使原子核吸收能量从低能级跃迁到高能级发生核磁共振; 共振条件足条件003、 NMR 稳态吸收有哪两个物理过程实验中怎样才能避免饱和现象出现 答；需要稳态吸收和弛豫两个过程;4、 怎样利用核磁共振测量回磁比和磁场强度 答；有共振条件0000,)(B B h g v N N ⋅=⋅=γϖμ即测出0ϖ带入就可求出回磁比将理论的回磁比带入就可求出磁场;四、电子顺磁共振1电子顺磁共振的原理是什么答；将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B 0中,则原子磁矩与外磁场相互作用能为4那么,相邻磁差0hB E γ-=∆ 5如果垂直于外磁场B 0的方向上加一振幅值很小的交变磁场2B 1cosωt,当交变磁场的角频率ω满足共振条件0hB E h γω-=∆=6时,则原子在相邻磁能级之间发生共振越迁这就是自旋共振的基本原理; 2微波段电子顺磁共振的主要装置有哪些各起什么作用答；略五、用光栅光谱仪测钠光光谱解释光谱的物理意义,以及从形状上区别光谱的种类六、密立根油滴实验1、 加上电压后,油滴可能出现哪些运动请分别说明原因;答；匀速运动或静止；油滴保持匀速运动或者静止时才受力平衡,才符合我们的实验原理,才能用已知公式进行计算;2为什么不挑选带质量很大的油滴测量3,如果电容器两极板不水平,即极板间电场方向与重力场方向不平行,这对测量结果有何影响七、傅立叶分解与合成1、 写出方波和三角波的傅里叶分解式; 答；方波)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( ++++=t t t t ht f ωωωωπ =∑∞=--1])12sin[()121(4n t n n h ωπ 三角波)7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222 +-+-=t t t t ht f ωωωωπ =∑∞=----1212)12sin()12(1)1(8n n t n n h ωπ 2、 实验中使用什么电路对方波或三角波进行频谱分解答；用RLC 串联谐振电路作为选频电路,对方波或三角波进行频谱分解; 3、 将1KHz,3KHz,5KHz,7KHz 四组正弦波的初相位和振幅调节到什么条件输入到加法器叠加后,可以分别合成出方波波形答；波振幅比为1:31:51:71,初相位为同相;八、光拍法测量光速1、“拍”是怎么形成的它有什么特性答；根据波的叠加原理,两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加,将会形成拍2、声光调制器是如何形成驻波衍射光栅的什么叫声光效应答；使声光介质的厚度为超声波半波长的整数倍,使超声波产生反射,在介质中形成驻波场,从而产生驻波衍射光栅；功率信号输出角频率为Ω的正弦信号加在频移器的晶体压电换能器上,超声波沿方向通过声光介质,使介质内产生应变,导致介质的折射率在空间和时间上发生周期性变化,形成一个相位光栅,使入射激光发生衍而传播方向,这种衍射光的频率产生了与超声波频率有关的频率移动这种现象叫声光效应;3、斩光器的作用是什么答；,可在示波器上同时观察到远、近程光信号的图形,适当微调光路和光电接收管的位置调节螺丝,使示波器上显示的二路光信号均有一定的幅度;4、获得光拍频波的两种方法是什么本实验采取哪一种答；光拍法和；光拍法九、全息照相1、怎样理解全息图每点都记录了物体上各点光的全部信息像面全息也是这样的吗为什么答；全息照相是将物光波中的振幅和位相信息以干涉条纹的反差和明暗变化的形式记录下来,形成的干涉条纹,感光后的全息干板,经显影、定影等处理得到的全息照片,相当于一个“衍射光栅”;全息图的观察是衍射光线逆光线,部分的“衍射光栅”激光照射下也会产生衍射光线,故部分全息图可以再现完整物体,只是衍射光强减弱,光信息容量减小,看到的像变暗或相对模糊;拍摄全息图时,光路布置要注意些什么答；1,要求光路中的物光与参考光的光程尽量相等；2光学元件安置要牢靠;十、混沌实验与实验十一合并解释倍周期分岔、混沌、奇怪吸引子概念的物理意义;十一、PN结物理特性测定实验与实验十合并1、解释在实际测量中用二极管的正向I－U关系求得的玻尔兹曼常数偏小的原因;答；通过二极管的电流不只是扩散电流,还有其他电流;2、该实验装置中如何实现弱电流的测量能测量的最小电流值为多少答；采用光点反射式检流计与高输入阻抗集成运算放大器实现,能测量的最小电流值为-11110A十二、高温超导转变温度的测量1、高温超导体和低温超导体的区别是什么答；低温超导材料具有低临界转变温度Tc＜30K,在液氦温度条件下工作的超导材料;低温超导材料由于Tc低,必须在液氦温度下使用,运转费用昂贵,故其应用受到限制;高温超导材料具有高临界转变温度Tc能在液氮温度条件下工作的超导材料;因主要是氧化物材料,故又称高温氧化物超导材料;高温超导材料不但超导转变温度高,而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物,氧含量不确定,具有陶瓷性质;氧化物中的金属元素如铜可能存在多种化合价,化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代,但仍不失其超导电性;除此之外,高温超导材料具有明显的层状二维结构,超导性能具有很强的各向异性;高温超导材料的上临界磁场高,具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力;2、什么叫超导现象超导材料有什么主要特性答；超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度Tc;超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性;超导材料是存在电阻为零的超导态的材料,当其处于超导态时,能够无损耗地传输电能;超导体主要具有三个特性:零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零,如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去;这种“持续电流”已多次在实验中观察到;完全抗磁性超导材料处于超导态时,只要外加磁场小于临界磁场,磁场不能透入超导体内,超导材料内部的磁场恒为零;超导悬浮,就是利用超导体的完全抗磁性;约瑟夫森效应当两超导体之间有一薄绝缘层厚度约1nm而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体;当电流超过一定值后,绝缘层两侧出现电压U也可加一电压U,同时,直流电流变成高频交流电,而且频率与电压成正比;3、从实验中如何判断样品进入超导态了4、解释零电阻现象和迈斯纳效应现象的物理本质;答；产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时,在磁场作用下,表面产生一个无损耗;这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反,因而在深入超导区域总合成磁场为零;换句话说,这个无损耗感应电流对外加磁场起着作用,因此称它为抗磁性屏蔽电流;十三、铁磁材料居里温度的测试1、铁磁物质的三个特性是什么2、用磁畴理论解释样品的磁化强度在温度达到局里点时发生突变的微观机理是什么答：样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是,铁磁性物质的磁化与温度有关,存在一临界温度Tc称为居里温度也称为居里点;当温度增加时,由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列,但在未达到居里温度Tc时,铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列,此时物质仍具有铁磁性,仅其自发磁化强度随温度升高而降低;如果温度继续升高达居里点时,物质的磁性发生突变,磁化强度M实为自发磁化强度剧烈下降,因为这时分子热运动足以使相邻原子或分子之间的交换耦合作用突然消失,从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列,此时磁畴消失,铁磁性变为顺磁性;3、测出的V-T曲线,为什么与横坐标没有交点答；在εeffB～T曲线斜率最大处作切线,与横坐标轴温度相交的一点即为居里温度Tc,这是因为温度升高到居里点时,铁磁材料的磁性才发生突变,所以要在斜率最大处作切线;又因为在居里点附近时,铁磁性已基本转化为顺磁性虽然μ值较小,但仍大于0,故εeffB～T曲线不可能与横坐标相交,所以不是由曲线与温度轴的交点来确定Tc;。

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 magneticresonance 〕，简称“NMR 〞。

由于这项创造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。

在研究物质的微观构造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开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 〞的根本原理及其条件，准确测定出其恒定外加磁场的大小〔B 0〕。

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〔g F 〕、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，说明核磁共振的根本原理。

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〔h υ〕刚好等于原子核两相邻能级的能量差时〔ΔE 〕，那么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 〞。

1、 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I P ，其大小为)1(+=I I P I 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，……。

实验9.1 核磁共振物理学院焦方宝 131120060引言：在基本实验的基础上，得到三种不同样品的核磁共振谱，并具体计算他们的化学位移与自旋耦合效应。

其次，对自旋耦合效应的相互作用与等间距特点进行了一定的调研，可以从理论上直接证明这些特点。

关键词：核磁共振；化学位移；自旋耦合；§1.引言1946 年，美国斯坦福大学的Bloch 等人和哈佛大学的Purcell 等人独立地采用原子核感应法，即同时将一个恒定磁场和沿垂直于恒定磁场方向上的一个交变磁场同时作用于原子核系统上，然后测定由原子核磁矩进动所感应的电动势，发现了核磁共振现象。

后来.Bloch 和Purcell 因为这一发现而获得了1952 年度的诺贝尔物理学奖。

今天，核磁共振已成为研究物质结构和原子核的磁性、进行各种化合物的分析租鉴定、精密测定各种原子核磁矩以及作为核磁共振成像仪的重要原理和组成部分在医学上进行诊断的有力工具。

§2.实验原理§2.1 .原子核的基本特性原子由原子核和核外运动的电子所组成。

原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量和磁矩构成了它的基本性质。

众所周知，原子核带正电，所带电量和核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位e的整倍数，称为电荷数。

原子核的质量一般用质量数表示，接近于原子质量单位u的整数倍。

原子核由质子和中子所组成。

质子和中子的质量大致相等，但每个质子带正电量e，而中子则不带电。

因此，元素周期表中的原子序数z 在数值上等于相应原子核外的电子数、核内质子数和核的电荷数。

原子核的半径为10^-15m的数量级。

原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有轨道和自旋运动的角动量的总和。

核自旋可用自旋量子数I来表征。

核内的中子和质子都是1/2的粒子。

实验证明，如将原子核按其自旋特性来分类，则可分为三类:(1) 电荷数(即原子序数)与质量数都为偶数的核，如C18，O12等，它们的自旋量子数为零;(2) 质量数为单数的核，如H1，C13，N15等，它们的自旋量子数为半整数( 1/2，3/2，5/2…) ;(3) 质量数为双数，但电荷数(原子序数)为单数的核，如N2，N14等，它们的自旋量子数为整数(1，2，3，…)。