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核磁共振
核磁共振
核磁共振是指原子核在静电场中的作用下对固定频率的射频电磁波进行吸收的现象。核磁共振广泛应用于化学、生物、医学领域。
基本原理
实验设备
实验原理
实验要求和步骤
基本原理
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,分裂后两能级间的能量差为:
(1)
其中:γ为粒子的旋磁比,为约化普朗可常数,B0为稳恒外磁场。
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场,该电磁场的频率为ν,能量为:
(2)
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差ΔE时即:
(3)
低能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁,即所谓的磁共振。
实验设备
样品(sample)水:提供实验用的粒子,氢(1H)核。
永磁铁:提供稳恒外磁场,。
边限振荡器:产生射频场,提供一个垂直与稳恒外磁场的高频电磁场,频率。
同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器,边限振荡器的频率由频率计读出。
绕在永磁铁外的磁感应线圈:其提供一个叠加在永磁铁上的扫场。
调压变压器:为磁感应线圈提供50周的扫场电压。
频率计:读取射频场的频率。
示波器:观察共振信号。
图一
实验原理
由公式(3)可知,为了实现核磁共振有两种实验方法:
1、固定外磁场B0,调节高频电磁场频率ν,实现核磁共振,此为扫频法。
2、固定高频电磁场频率ν,调节外磁场B0,实现核磁共振,此为扫场法。
本实验用的是第二种实验方法,即扫场法。
在本实验要测的一个物理量是氢质子的γ因子,由公式(3)可知,只要知道B0,ν即可求得γ,B0在实验设备中已标定(),ν可由频率计测出。但是仅此,在本实验中γ是无法用实验求出的。因为本实验中两能级的能量差是一个精确,稳定的量。而实验用的高频振荡器其频率ν只能稳定在103HZ量级。其能量很难固定在这一值上。实际上等式(3) 在实验中很难成立。
为实现核磁共振,可在永磁铁B0上叠加一个低频交变磁场BmSinωt,即所谓的扫场(ω为市电频率50HZ,远低于高频场的频率ν其约
实验原理
几十MHZ),使氢质子两能级能量差γh(B0+BmSin100πt)有一个连续变化的范围。我们调节射频场的频率ν,使射频场的能量进入这个范围,这样在某一时刻等式=γ(B0+BmSin100πt)总能成立。(见图二)
图二
实验原理
此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号。(见图二)
由上图可见,当共振信号非等间距时,共振点处的等式为ν=γ(B0+BmSin100πt),BmSin100πt未知。无法利用该等式求出γ值。
调节射频场的频率ν使共振信号等间距,共振点处100πt=nπ, BmSin100πt=0, 此时的ν为共振信号等间距时的频率,由频率计读出。γ=2πν/B0,γ值可求。(见图三)
图三
实验原理
探测装置的工作原理:图一中绕在样品上的线圈是边限震荡器电路的一部分,在非磁共振状态下它处在边限震荡状态(即似振非振的状态),并把电磁能加在样品上,方向与外磁场垂直。当磁共振发生时,样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电路的Q值发生变化,振荡电路产生显著的振荡,在示波器上产生共振信号。
实验要求和步骤
1、观察1H (样品水)的核磁共振信号:(记9组数据和图形)
a、将边限振荡器的“检波输出”接示波器的“CH1”端,置示波器的“方式”为CH1。
b、将边限振荡器的“频率测试”端接多功能计数器的“输入A”。
c、将边限震荡器盒上的样品小心地从永磁铁上的插槽放入永磁铁中。(注意不要碰掉样品的铜皮)
d、将调压变压器插头接入220V市电插座,输出设为100V。
e、打开边限振荡器电源开关,调节“频率调节”旋钮,使示波器上出现共振信号。
f、调节调压变压器使其输出为50---100V中的某一值,保持该
值不变,记下该值,调节边限振荡器的“频率调节”旋钮,观察示波器上共振波形的变化,任选三个不同的波形画下,记下相应的边限振荡器频率υ(由频率计读出,计小数点后三位)。
g、调节“频率调节”旋钮,将共振信号调成不等间距,保持频率υ不变(如频率不稳定可每次调回到该频率值),记下该频率值。
h、改变调压器的输出电压VV), 观察示波器上共振信号的变化,任选三个不同的电压,画下相应波形,记下相应的V值。
i、将共振信号调成等间距, 保持该频率υ不变, 记下该频率值。改变调压器的输出电压VV), 选三个不同的电压V画下相应波形,记下相应的V值。
j、对以上共振信号波形随V,υ,变化的原因进行讨论。