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核磁共振实验报告一、实验目的了解核磁共振的基本原理，掌握核磁共振仪器的操作方法，测量样品的核磁共振信号，并通过对信号的分析计算出样品的相关参数。
二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是指处于静磁场中的原子核在另一交变电磁场作用下发生的物理现象。
原子核具有自旋，自旋会产生磁矩。
当原子核处于外加静磁场中时，其自旋能级会发生分裂。
如果此时在垂直于静磁场的方向上施加一个交变电磁场，当交变电磁场的频率与原子核的进动频率相等时，就会发生共振吸收现象，即核磁共振。
在核磁共振实验中，通常使用氢核（质子）作为研究对象。
氢核的自旋量子数为 1/2，在静磁场中会分裂为两个能级。
通过测量共振时的交变电磁场频率，可以计算出静磁场的强度；通过测量共振信号的强度和形状，可以获取有关样品中氢核的分布、化学环境等信息。
三、实验仪器本次实验使用的是_____型核磁共振仪，主要包括以下几个部分：1、磁铁：提供稳定的静磁场。
2、射频发生器：产生交变电磁场。
3、探头：包含样品管和检测线圈。
4、信号接收与处理系统：对检测到的核磁共振信号进行放大、滤波、数字化等处理。
5、计算机：控制仪器运行，采集和分析数据。
四、实验步骤1、样品准备选取合适的含氢样品，如纯净水、乙醇等。
将样品装入标准的样品管中，确保样品管无气泡。
2、仪器调试开启核磁共振仪电源，预热一段时间，使仪器达到稳定工作状态。
调节磁场强度，使其达到预定值。
校准射频发生器的频率范围和输出功率。
3、样品测量将装有样品的样品管放入探头中，确保位置准确。
启动扫描程序，逐渐改变射频频率，观察并记录核磁共振信号。
重复测量多次，以提高数据的准确性和可靠性。
4、数据处理将采集到的核磁共振信号导入计算机软件进行处理。
分析信号的峰位、峰宽、强度等参数。
根据相关公式计算样品的化学位移、自旋自旋耦合常数等重要参数。
五、实验数据与分析1、以纯净水为例，得到的核磁共振信号如图 1 所示。
核磁共振实验报告一、实验目的1.了解核磁共振的基本原理和仪器结构；2.学习核磁共振性质的测量方法；3.掌握核磁共振实验的基本操作。
二、实验仪器和用具核磁共振仪、样品管、场频中心标记物、标定试剂、样品转速调节器、计算机等。
三、实验原理核磁共振是利用磁共振现象进行的一种物质结构、原子核的环境等信息的研究方法。
通过在静磁场中施加射频场，使样品的原子核进行磁共振，进而测量其共振频率和化学位移，从而得到相关的物理和结构性质。
四、实验内容和步骤1.样品制备：在样品管中配制好待测物质溶液；2.实验准备：打开核磁共振仪电源，调节磁场强度和均匀性；3.校准：使用场中心标记物调整磁场的中心频率；4.样品激磁：将样品放入核磁共振仪的样品室中，进行样品激磁操作；5.信号获取：通过调整射频场的频率和强度，使样品核的共振信号最大化；6.信号处理：将获取的信号通过计算机进行数字化处理，得到频谱图和相关参数；7.数据记录：记录样品的共振频率、化学位移等相关参数。
五、实验数据和分析实验中，我们选取了甲醇样品进行核磁共振实验。
首先进行了磁场强度的校准，通过调整磁场的中心频率，使得样品的共振频率能够与参考标记物的共振频率相匹配。
接下来，进行了样品的激磁操作。
通过将样品放入样品室中，使其置于强磁场中，样品中的原子核开始进行自旋共振。
在信号获取过程中，我们通过调整射频场的频率和强度，使样品核的共振信号最大化。
当共振发生时，仪器会发出响应信号，我们利用该信号来调整射频场的参数，确保信号最强。
通过对获取的信号进行处理，我们得到了甲醇样品的核磁共振频谱图。
在频谱图中，可以观察到不同核的共振峰，通过测量共振峰的位置和间距，可以得到样品的化学位移和相关的物理属性。
六、实验结果和结论通过核磁共振实验，我们成功获得了甲醇样品的核磁共振频谱图。
通过测量共振峰的位置和间距，我们得到了样品的化学位移和相关的物理属性。
实验结果表明，核磁共振是一种非常有效的研究物质结构和性质的方法。
核磁共振成像实验报告
一、引言
核磁共振成像（MRI）是一种非侵入式的医学成像技术，常用于诊断和治疗疾病。
本实验旨在通过模拟MRI扫描实验，了解MRI的工作原理和影像生成过程。
二、实验材料与方法
1. 实验材料：包括磁共振设备模型、水样品、图像处理软件等。
2. 实验方法：
a. 将水样品放入磁共振设备中。
b. 使用磁场梯度和射频脉冲来激发水样品的核自旋。
c. 采集信号，并通过图像处理软件生成MRI图像。
三、实验结果与分析
经过实验操作和数据处理，成功生成了水样品的MRI图像。
在图像中，我们观察到不同组织的信号强度和分布情况。
通过分析MRI图像，可以发现水样品内部的结构特征，如脂肪、肌肉等组织的分布情况。
四、实验结论
本实验通过模拟MRI扫描，深入理解了MRI技术的工作原理和影像生成过程。
MRI技术在医学诊断中具有重要的应用前景，可为医生提供更准确的诊断结果，帮助患者得到更好的治疗。
五、参考文献
1. Smith A, et al. Magnetic Resonance Imaging: Principles and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2010.
2. Brown C, et al. Introduction to MRI Technology. London: Springer, 2015.
六、致谢
感谢实验室的老师和同学们对本次实验的支持与帮助。
以上为核磁共振成像实验报告。
一、实验目的1. 了解核磁共振（NMR）的基本原理和应用领域；2. 掌握NMR实验仪器的操作方法；3. 通过NMR实验，研究材料的性质和结构；4. 培养实验操作能力和数据处理能力。
二、实验原理核磁共振是利用原子核在外加磁场中的磁矩与射频电磁波相互作用而产生共振现象的一种物理方法。
当原子核置于外加磁场中时，其磁矩会绕磁场方向进动，进动频率与外加磁场强度和原子核的性质有关。
当射频电磁波的频率与原子核进动频率相匹配时，原子核会吸收射频能量，产生共振现象。
三、实验仪器与试剂1. 实验仪器：NMR实验仪、示波器、射频发生器、探头、样品管、恒温装置等；2. 试剂：待测样品、溶剂等。
四、实验步骤1. 样品制备：将待测样品溶解于溶剂中，制备成一定浓度的溶液；2. 样品放置：将制备好的样品放入样品管中，放入NMR实验仪的探头中；3. 恒温：将样品管放入恒温装置中，调节温度至实验所需温度；4. 调谐：调整射频发生器，使射频频率与待测样品的共振频率相匹配；5. 测量：开启NMR实验仪，记录示波器上的信号，分析数据。
五、实验数据与分析1. 样品名称：苯甲酸乙酯；2. 样品浓度：0.1 mol/L；3. 溶剂：氯仿；4. 温度：298 K；5. 外加磁场强度：9.4 T；6. 射频频率：100 MHz。
实验结果如下：1. 样品的共振信号强度随浓度的增加而增强；2. 样品的化学位移随溶剂的种类和浓度发生变化；3. 样品的自旋量子数与外加磁场强度有关。
根据实验结果，可以分析出以下结论：1. 样品的共振信号强度与浓度呈线性关系，说明NMR实验可以用于研究溶液中物质的浓度；2. 样品的化学位移受溶剂种类和浓度的影响，可以用于研究物质的分子结构和环境；3. 样品的自旋量子数与外加磁场强度有关，可以用于研究物质的核磁共振性质。
六、实验讨论1. NMR实验在材料科学研究中的应用非常广泛，可以用于研究材料的结构、性质和动态过程；2. NMR实验具有较高的灵敏度和分辨率，可以用于研究低浓度样品；3. NMR实验需要精确的磁场强度和射频频率控制，对实验条件要求较高。
核磁共振实验报告一、实验目的本次核磁共振实验的主要目的是通过对样品的核磁共振现象进行观测和分析，深入理解核磁共振的基本原理，掌握核磁共振仪器的操作方法，并获取有关样品的结构和性质等方面的信息。
二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称 NMR）是指处于外磁场中的原子核在射频场作用下发生能级跃迁的现象。
当原子核处于外加磁场中时，其核自旋会产生不同的能级。
如果在垂直于外磁场的方向上施加一个射频场，且射频场的频率与原子核的进动频率相等时，就会发生共振吸收，从而产生核磁共振信号。
对于氢原子核（质子）来说，其自旋量子数为 1/2，在外磁场中会产生两个能级。
共振频率与外磁场强度成正比，可用公式表示为：ω ＝γB其中，ω 是射频场的角频率，γ 是核的旋磁比，B 是外磁场强度。
通过测量共振吸收信号的强度和位置，可以获取关于样品中氢原子的化学环境、分子结构等信息。
三、实验仪器与样品本次实验使用的仪器为_____型核磁共振仪。
仪器主要由磁场系统、射频发射与接收系统、数据采集与处理系统等组成。
实验所用的样品为_____溶液。
四、实验步骤1、样品制备将适量的样品溶解于适当的溶剂中，制备成均匀的溶液，并装入核磁共振样品管中。
2、仪器调试打开核磁共振仪，设置合适的磁场强度、射频功率、扫描时间等参数，进行仪器的预热和调试。
3、样品测量将样品管放入仪器的检测区域，启动测量程序，记录核磁共振信号。
4、数据处理对测量得到的数据进行处理，包括基线校正、峰面积积分、化学位移标定等，以获取有用的信息。
五、实验结果与分析1、共振图谱得到的核磁共振图谱显示了多个吸收峰，每个峰的位置和强度都反映了样品中不同化学环境下氢原子的信息。
2、化学位移通过对峰位置的测量和与标准物质的对比，确定了样品中各氢原子的化学位移值。
化学位移的差异表明了氢原子周围电子云密度的不同，从而反映了分子结构的特点。
3、峰面积积分对各吸收峰的面积进行积分，积分值与相应氢原子的数量成正比。
核磁共振实验报告应物0903班王文广苏海瑞U200910198 U200910218核磁共振实验报告一、实验目的1. 了解核样共振的基本原理2. 学习利用核磁共振测量磁场强度和原子核的g因子的方法二、实验容1 .在加不同大小扫场情况下仔细观察水样品的核磁共振现象，记录每种情况下的共振峰形和对应的频率2. 仔细观察和判断扫场变化对共振峰形的影响，从中确定真正能应永久磁铁磁场囘的共振频率，并以此频率和质子的公认旋磁比值267.52MHz/T |计算样品所在位置的磁场同3. 根据记录的数据计算扫场的幅度4. 研究射频磁场的强弱对共振信号强度的影响5. 观察聚四氟乙烯样品的核磁共振现象，并计算氟核的g因子三、实验原理1. 核磁共振现象与共振条件原子的总磁矩「j和总角动量R存在如下关系g -e- P j2m e j2g- B P j关系2g Ne为朗德因子，e m e是电子电荷和质量，B称为玻尔磁子，为原子的旋磁比对于自旋不为零的原子核，核磁矩匚］和自旋角动量£也存在如下按照量子理论，存在核自旋和核磁矩的量子力学体系，在外磁场囘中能级将发生赛曼分裂，相邻能级间具有能量差丄，当有外界条件提供与匡相同的磁能时，将引起相邻赛曼能级之间的磁偶极跃迁，比如赛曼能级的能量差为E护的氢核发射能量为叨的光子’当h =宁时’氢核将吸收这个光子由低塞曼能级跃迁到高塞曼能级, 这种共振吸收跃迁现象称为“核磁共振”由上可知，核磁共振发生和条件是电磁波的圆频率为0 B02. 用扫场法产生核磁共振在实验中要使T得到满足不是容易的’因为磁场不是容易控制，因此我们在一个永磁铁上叠加一个低频交谈磁场壬口，使氢质子能级能量差J B0 B m Sin t有一个变化的区域，调节射频场的频率□，使射频场的能量基能进入这个区域，这样由图可知，当共振信号非等间距时共振点处—B o B m sin t2在某一瞬间等式2hB o B m sin t 总能成立。
核磁共振实验报告及数据核磁共振实验报告及数据 2011年04月20日核磁共振1了解核磁共振的基本原理教学目的2学习利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法3理解驰豫过程并计算出驰豫时间。
重难点1核磁共振的基本原理2磁场强度和驰豫时间的计算。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时3个学时一、前言核磁共振是重要的物理现象。
核磁共振技术在物理、化学、生物、医学和临床诊断、计量科学、石油分析与勘探等许多领域得到重要应用。
自旋角动量P不为零的原子核具有相应的磁距μ而且其中称为原子核的旋磁比是表征原子核的重要物理量之一。
当存在外磁场B时核磁矩和外磁场的相互作用使磁能级发生塞曼分裂相邻能级的能量差为其中hh/2πh为普朗克常数。
如果在与B垂直的平面内加一个频率为ν的射频场当时就发生共振现象。
通常称y/2π为原子核的回旋频率一些核素的回旋频率数值见附录。
核磁共振实验是理科高等学校近代物理实验课程中的必做实验之一如今许多理科院校的非物理类专业和许多工科、医学院校的基础物理实验课程也安排了核磁共振实验或演示实验。
利用本装置和用户自备的通用示波器可以用扫场的方式观察核磁共振现象并测量共振频率适合于高等学校近代物理实验基础实验教学使用。
二、实验仪器永久磁铁含扫场线圈、可调变阻器、探头两个样品分别为、和、数字频率计、示波器。
三、实验原理一核磁共振的稳态吸收核磁共振是重要的物理现象核磁共振实验技术在物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油分析勘探等许多领域得到重要应用。
1945年发现核磁共振现象的美国科学家Purcell和Bloch1952年获诺贝尔物理学奖。
在改进核磁共振技术方面作出重要贡献的瑞士科学家Ernst1991年获得诺贝尔化学奖。
大家知道氢原子中电子的能量不能连续变化只能取分立的数值在微观世界中物理量只能取分立数值的现象很普通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分立值其中I称为自旋量子数只能取0123�6�7等整数值或1/23/25/2�6�7等半整数值公式中的h/2π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质子和氟核F19的自旋量子数I 都等于1/2类似地原子核的自旋角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分立的数值Pzm 。
实验报告核磁共振实验实验报告：核磁共振实验一、实验目的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）技术在化学、生物、医学等领域都有着广泛的应用。
本次实验的主要目的是通过实际操作，深入了解核磁共振的基本原理和实验方法，掌握利用核磁共振技术进行物质结构分析的技能，并对实验结果进行准确的分析和解释。
二、实验原理核磁共振是指处于外磁场中的原子核系统受到相应频率的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。
原子核具有自旋，自旋会产生磁矩。
当原子核置于外加磁场中时，核自旋会产生不同的能级分裂。
在射频场的作用下，当射频场的频率与原子核的进动频率相等时，就会发生共振吸收，从而可以检测到核磁共振信号。
对于氢原子核（质子），其共振频率与外加磁场强度成正比，可表示为：＼＼omega ＝＼gamma B_0＼其中，＼（＼omega\）是进动频率，＼（＼gamma\）是旋磁比，＼（B_0\）是外加磁场强度。
三、实验仪器与试剂1、核磁共振仪器：包括超导磁体、射频发生器、探测器、数据采集与处理系统等。
2、样品：选择了常见的有机化合物，如乙醇、乙酸等。
四、实验步骤1、样品准备：将适量的样品装入核磁共振样品管中，确保样品均匀分布。
2、仪器调试：打开核磁共振仪器，设置合适的磁场强度、射频频率等参数，进行匀场操作，以获得均匀的磁场。
3、数据采集：将样品管放入仪器中，启动数据采集程序，采集核磁共振信号。
4、数据处理：对采集到的数据进行处理，如傅里叶变换，得到核磁共振谱图。
五、实验结果与分析1、乙醇的核磁共振谱观察到了乙醇中甲基、亚甲基和羟基上氢原子的共振信号。
通过化学位移、峰面积和耦合常数等信息，可以推断出乙醇分子中不同氢原子的化学环境和相互作用。
2、乙酸的核磁共振谱清晰地分辨出了乙酸中甲基和羧基上氢原子的信号。
分析化学位移和峰形，了解乙酸分子的结构特征。
六、实验误差分析1、磁场不均匀性：可能导致谱线加宽，影响化学位移和峰形的准确性。
一、实验目的1. 理解核磁共振的基本原理。
2. 掌握核磁共振实验的操作技能。
3. 学习通过核磁共振谱图分析物质的结构。
4. 熟悉核磁共振仪器的使用方法。
二、实验原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）是一种利用原子核在外加磁场中产生共振吸收现象的技术。
当原子核置于磁场中时，其磁矩会与磁场相互作用，导致原子核的自旋能级发生分裂。
通过向样品施加特定频率的射频脉冲，可以使原子核从低能级跃迁到高能级，当射频脉冲停止后，原子核会释放能量回到低能级，产生核磁共振信号。
三、实验仪器1. 核磁共振仪（NMR Spectrometer）2. 样品管3. 射频脉冲发生器4. 数据采集系统5. 计算机四、实验步骤1. 准备样品：将待测样品溶解在适当的溶剂中，并转移至样品管中。
2. 调整磁场：将样品管放置在核磁共振仪的样品腔中，调整磁场强度至所需值。
3. 设置射频脉冲参数：根据样品的核磁共振特性，设置射频脉冲的频率、功率和持续时间等参数。
4. 数据采集：开启核磁共振仪，开始采集核磁共振信号。
5. 数据处理：将采集到的信号传输至计算机，进行数据处理和分析。
五、实验结果与分析1. 核磁共振谱图：通过核磁共振仪采集到的样品谱图显示了不同化学环境下的原子核的共振吸收峰。
峰的位置、形状和强度等信息可以用来推断样品的结构。
2. 化学位移：峰的位置（化学位移）反映了原子核在磁场中的相对位置。
通过比较标准物质的化学位移，可以确定样品中不同类型的原子核。
3. 峰的积分：峰的面积与样品中该类型原子核的数目成正比。
通过峰的积分，可以确定样品中不同类型原子核的相对比例。
4. 峰的分裂：峰的分裂（耦合）反映了原子核之间的相互作用。
通过分析峰的分裂情况，可以推断样品中原子核的连接方式和空间结构。
六、实验讨论1. 实验误差：实验误差可能来源于多种因素，如仪器精度、操作技能和样品纯度等。
为了减小误差，需要严格控制实验条件，并多次重复实验。
核磁共振实验报告核磁共振实验报告引言：核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种重要的物理现象，它在医学、化学、材料科学等领域有着广泛的应用。
本实验旨在通过核磁共振技术，探索其原理与应用。
一、实验目的本实验的目的是通过核磁共振技术，了解原子核的磁性与能级结构，掌握核磁共振信号的产生与检测方法，并探索核磁共振在医学与化学中的应用。
二、实验原理核磁共振是基于原子核的磁性与能级结构的现象。
原子核由质子和中子组成，而质子和中子都具有自旋。
当原子核处于外加磁场中时，由于自旋的存在，原子核会具有磁矩。
当外加磁场的方向与原子核的磁矩方向一致时，原子核的能量较低；当外加磁场的方向与原子核的磁矩方向相反时，原子核的能量较高。
这种能级差距可以通过外加射频脉冲来激发或翻转。
三、实验步骤1. 实验前准备：调节核磁共振仪的磁场强度和频率，确保仪器的正常运行。
2. 样品制备：选择合适的样品，将其溶解在适当的溶剂中，并注入玻璃管中。
3. 样品放置：将含有样品的玻璃管放置在核磁共振仪的样品室中，确保其与磁场方向垂直。
4. 实验参数设置：调节核磁共振仪的扫描参数，如扫描时间、扫描次数等。
5. 信号检测：通过核磁共振仪的探测器，检测样品中的核磁共振信号。
6. 数据处理：对得到的核磁共振信号进行分析和处理，得到样品的核磁共振谱图。
四、实验结果与分析通过实验，我们成功得到了样品的核磁共振谱图。
核磁共振谱图是由核磁共振信号的强度和频率构成的。
通过分析谱图，我们可以得到样品中不同核的化学位移、耦合常数等信息，从而确定样品的结构和成分。
五、实验应用核磁共振技术在医学与化学领域有着广泛的应用。
在医学中，核磁共振成像（MRI）技术可以用于人体内部的无创成像，帮助医生进行疾病的诊断与治疗。
在化学中，核磁共振技术可以用于分析和鉴定化合物的结构，帮助化学家进行合成和研究。
六、实验总结通过本次实验，我们深入了解了核磁共振技术的原理与应用。
核磁共振实验报告及数据核磁共振实验报告及数据 2011年04月20日核磁共振1了解核磁共振的基本原理教学目的2学习利用核磁共振校准磁场和测量g因子的方法3理解驰豫过程并计算出驰豫时间。
重难点1核磁共振的基本原理2磁场强度和驰豫时间的计算。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时3个学时一、前言核磁共振是重要的物理现象。
核磁共振技术在物理、化学、生物、医学和临床诊断、计量科学、石油分析与勘探等许多领域得到重要应用。
自旋角动量P不为零的原子核具有相应的磁距μ而且其中称为原子核的旋磁比是表征原子核的重要物理量之一。
当存在外磁场B时核磁矩和外磁场的相互作用使磁能级发生塞曼分裂相邻能级的能量差为其中hh/2πh为普朗克常数。
如果在与B垂直的平面内加一个频率为ν的射频场当时就发生共振现象。
通常称y/2π为原子核的回旋频率一些核素的回旋频率数值见附录。
核磁共振实验是理科高等学校近代物理实验课程中的必做实验之一如今许多理科院校的非物理类专业和许多工科、医学院校的基础物理实验课程也安排了核磁共振实验或演示实验。
利用本装置和用户自备的通用示波器可以用扫场的方式观察核磁共振现象并测量共振频率适合于高等学校近代物理实验基础实验教学使用。
二、实验仪器永久磁铁含扫场线圈、可调变阻器、探头两个样品分别为、和、数字频率计、示波器。
三、实验原理一核磁共振的稳态吸收核磁共振是重要的物理现象核磁共振实验技术在物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油分析勘探等许多领域得到重要应用。
1945年发现核磁共振现象的美国科学家Purcell和Bloch1952年获诺贝尔物理学奖。
在改进核磁共振技术方面作出重要贡献的瑞士科学家Ernst1991年获得诺贝尔化学奖。
大家知道氢原子中电子的能量不能连续变化只能取分立的数值在微观世界中物理量只能取分立数值的现象很普通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分立值其中I称为自旋量子数只能取0123�6�7等整数值或1/23/25/2�6�7等半整数值公式中的h/2π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质子和氟核F19的自旋量子数I 都等于1/2类似地原子核的自旋角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分立的数值Pzm 。
其中量子数m只能取II-1�6�7-II-I等2I1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动量方向相同也可能相反。
由于核自旋角动量在任意给定z方向只能取2I1个分立的数值因此核磁矩在z方向也只能取2I1个分立的数值。
2 原子核的磁矩通常用μNeh/2M作为单位μN称为核磁子采用μN作为核磁矩的单位后μZ可记住μZ gmμN与角动量本身的大小为相对应核磁矩本身的大小为g μN除了用g因子表征核的磁性质外通常引入另一个可以由实验测量的物理量γγ定义原子核的磁矩与自旋角动量之比 3 利用γ我们可写成μγp相应地有μzγpz 。
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-γm B 4 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2I1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△Eγ B全是一样的而且对于质子而言I1/2因此m 只能取m1/2和m-1/2两个数值施加磁场前后的能级分别如图1中的a和b所示当施加外磁场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这时若在与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。
a B0 bB 0 图1 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E-μ·B-μzB-γpzB-γm B 5 如果用圆频率2πν表示共振条件可写成ωγB 6 如果频率的单位用Hz磁场的单位用T 特斯拉1特斯拉10000高斯对裸露的质子而言经过测量得到/2π42.577469 MHz/T但是对于原子或分子中处于不同的基团的质子由于不同质子所处的化学环境不同受到周围电子屏蔽的情况不同的数值将略有差别这种差别称为化学位移对于温度为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7.6225914 MHz/T 通过上述讨论要发生共振必须满足v ·B为了观察到共振现象通常有两种方法一种是固定B连续改变射场的频率这种方法称为扫频方法另一种方法也就是本实验采用的方法即固定射场的频率连续改变磁场的大小这种方法称为扫场方法如果磁场的变化不是太快而是缓慢通过与频率v对应的磁场时用一定的方法可以检测到系统对射场的吸收信号如图2a所示称为吸收曲线这种曲线具有洛伦兹型曲线的特征但是如果扫场变化太快得到的将是如图2b所示的带有尾波的衰减振荡曲线然而扫场变化的快慢是相对具体样品而言的例如本实验采用的扫场的磁场其吸收信号将如图2a 所示而对液态的水样品而言却是变化太快的磁场其吸收信号将如图2b所示而且磁场越均匀尾波中振荡的次数越多。
a b 图2 二核磁共振法测量驰豫时间在共振吸收过程中低能级的粒子跃迁到高能级使高、低能级的粒子数分布趋于均等这时共振吸收信号消失粒子系统处于饱和状态。
但由于物质内部机制存在着恢复平衡状态的逆过程在适当的实验条件下仍可观测到稳定的共振吸收信号。
所谓驰豫过程就是表征系统由非平衡状态趋向平衡状态的过程该过程所经历的时间称为驰豫时间。
热平衡时由于每个粒子的磁矩都绕外场进动系统的总磁矩与外场的方向相同的大小可由不同能级上粒子磁矩的大小按玻尔兹曼分布求和得到。
假设通过某种途径使系统偏离热平衡态。
宏观上表现为系统总磁矩在实验室坐标系的三个方向上的分量为Mx My Mz 。
这时自旋系统恢复到热平衡态。
一是通过与晶格交换能量使由上、下能级粒子数分布根据下式所确定的自旋体系的温度Ts最终与晶格的温度相等。
粒子恢复到玻尔兹曼分布。
Mz最终等于即此过程称为自旋——晶格驰豫。
上式中T1反映了系统纵向磁矩Mz趋向热平衡值时速度的快慢称为纵向驰豫时间。
在自旋系统中还存在另一种自旋——自旋驰豫过程称为自旋——自旋相互作用。
它不改变自旋粒子体系各能级上粒子数。
即不改变自旋系统的总能量。
但使系统总磁矩在x、y 方向上的分量Mx 和My逐渐趋向于热平衡值。
它遵从下式式中T2称为横向驰豫时间。
实际上在核磁共振中上述的共振吸收与驰豫过程是同时进行。
通过共振吸收粒子数偏离平衡态分布。
另一方面又通过驰豫回到热平衡态。
当这两个过程达到动态平衡时出现稳定的吸收信号称为稳态核磁共振吸收谱。
四、实验内容与步骤一仪器介绍实验装置的方框图如图3所示它由永久磁铁、扫场线圈边限振荡器包括探头、数字频率计、示波器等组成。
永久磁铁对永久磁铁的要求是有极强的磁场、足够大的均匀区和均匀性好本实验所用的磁铁中心磁场B0≥0.5T在磁场中心5mm3范围内均匀性优于10-5。
二扫场线圈用来产生一个幅度大小在零点几高斯到十几高斯的可调交变磁场用于观察共振信号扫场线圈的电流由可调变阻器的输出后提供扫场的幅度可通过可调变阻器调节三探头射频场的产生与共振信号的探测本实验提供两个探头其中样品为、和图3 二校准永久磁铁中心的磁场Bo 把样品为水掺有HF的探头下端的样品盒插入到磁铁中心并使电路盒水平放置在磁铁上方的机座上左右移动电路盒使它大致处于机座的中间位置将电路盒背面的“频率测试”和“共振信号”分别与频率计和示波器连接把示波器的扫描速度旋钮放在5ms/格位置纵向放大旋钮放在0.1V/格或0.2V/格位置打开频率计示波器和边限振荡器的电源开关这时频率计应有读数接通可调变阻器电流到中间位置缓慢调节边限振荡器的频率旋钮改变振荡频率由小到大或由大到小同时监视示波器搜索共振信号。
三估测HF样品中H核的驰豫时间T2。
估测方法如下示波器改用X-Y输入方法把底座前方标有“扫场输出”的信号它与扫场线圈两端电压成正比输入到X端“共振信号”信号输入到Y端。
把频率调节在氟的共振频率适当增大扫场幅度从示波器上观察到的将是重叠而又相互错开了两个共振峰可利用相移调节旋钮改变两个峰的位置。
利用示波器上的网格估测其中一个共振峰的半宽度B与扫场变化范围2 的比值K即KΔB/2 。
然后固定扫场的幅度不变把示波器改回正常的接法用与基本要求1.中相同方法测出共振发生在扫场的峰顶与谷底时的共振频率和求出这时扫场的变化范围2 进而求出氟核共振峰的半宽度ΔB然后利用公式 F 或估算出固态聚四氟乙烯中氟核的驰豫时间T2上面式中为氟核的回旋频率参见附录。
五、数据表格及数据处理1由计算磁场强度。
根据公式其中为三峰等间隔时的扫场频率需要测量三种溶液中H的共振频率。
2.计算驰豫时间只测H 根据公式其中为三峰等间隔时的扫场频率为两峰合一刚消失时的扫场频率为三峰等间隔半高宽在计算中注意所以单位换算六、注意事项1不要随便搬动桌面上仪器的摆放位置特别是不准移动永久磁场的位置不准动上面的任何螺丝。
2接通电源前应把输出电流和电压调到0档经老师检查后开启电源。
3实验过程中所有按键旋钮要“轻按慢旋”没有搞清功能前都不准使用仪器。
4.边限电流调节会对频率产生影响。
因此在调节边限电流后再调节频率进行补偿使每一次测量频率保持一致。
�6�1 5.样品必需安置再磁场的均匀区内。
如果样品安置在均匀区域内信号会十分明显。
所以样品在磁场中的位置十分重要必须认真仔细观测信号随样品位置上下、左右的变化力求取得最佳效果。
七、教学后记1本实验由于教材中没有相关内容因此实验前要求学生在实验室参看学习资料进行预习并要求学生思考什么使核磁共振和驰豫。
2在讲解中结合目前核磁共振在医学上和石油勘探等方面的应用引起学生们的兴趣。
3讲解中结合示波器显示的吸收信号指出本实验需要测量数据。
4要求学生在频率调节应参考提供的频率仔细寻找缓慢旋转速度过快核磁共振信号会瞬间消失。
