核磁共振类实验实验报告.pdf

《核磁共振类实验实验报告.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯最新资料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯核磁共振类实验实验报告（一）核磁共振（二）脉冲核磁共振与核磁共振成像1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯最新资料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯第一部分核磁共振基本原理1.核磁共振磁共振是指磁矩不为零的原子或原子核在稳恒磁场作用下对电磁辐射能的共振吸收现象。如果共振是由原子核磁矩引起的，则该粒子系统产生的磁共振现象称核磁共振（简写作NMR）;如果磁共振是由物质原子中的电子自旋磁矩提供的，则称电子自旋共振（简写ESR）,亦称顺磁共振(写作EPR)；而由铁磁

2、物质中的磁畴磁矩所产生的磁共振现象，则称铁磁共振（简写为FMR）。原子核磁矩与自旋的概念是1924年泡利（Pauli）为研究原子光谱的超精细结构而首先提出的。核磁共振现象是原子核磁矩在外加恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场作拉莫尔进动，若在垂直于外磁场的方向上是加一交变电磁场，当此交变频率等于核磁矩绕外场拉莫尔进动频率时，原子核吸收射频场的能量，跃迁到高能级，即发生所谓的谐振现象。研究核磁共振有两种方法：一是连续波法或称稳态法，使用连续的射频场（即旋转磁场）作用到核系统上，观察到核对频率的感应信号；另一种是脉冲法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有

3、较高的灵敏度，测量速度快，但需要快速傅里叶变换，技术要求较高。以观察信号区分，可观察色散信号或吸收信号。但一般观察吸收信号，因为比较容易分析理解。从信号的检测来分，可分为感应法，平衡法，吸收法。测量共振时，核磁矩吸收射频场能量而在附近线圈中感应到信号，则为感应法；测量由于共振使电桥失去平衡而输出电压的即为平衡法；直接测量共振使射频振荡线圈中负载发生变化的为吸收法。本实验用连续波吸收法来观察核磁共振现象。2.核磁共振的量子力学描述核角动量P由下式描述，PI(I1)（1）h式中，22⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯最新资料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

4、⋯⋯I是核自旋磁量子数，可取0，1/2，1，...对H核，I=1/2。核自旋磁矩与P之间的关系写成P（2）e式中，gJ称为旋磁比2mpmpe为电子电荷；为质子质量；gJ为朗德因子。以H核为例，式（2）可写为两种表达：gJNI(I1)（3）egJp2mp（4）271N5.05078710JT式中称为核磁子，是核磁矩的单位。把氢核放入外磁场B，可以取坐标轴z方向为B的方向。核的角动量在B方向上的投影值由下式决定PBmmI,I1,,(I1),I式中m称为磁量子数，可以取。核磁矩在B方向上的投影值为BmhmgJN（5）磁矩为的原子核在恒定磁场B中具有的势能为EBBBgNNmB（

5、6）任何两个能级之间的能量差则为EgJNBm（7）由选择定则，m1时两能级间才可发生跃迁。对氢核而言，I=1/2，所以磁量子数m只能取两个值，即m=1/2，-1/2。磁矩在外场方向上的投影也只能取两个值，如图1中（a）所示，与此相对应的能级如图1中（b）所示。加一频率为ν的高频磁场B1如果电磁波的能量h与Zeeman能级间隔，3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯最新资料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯相等时，即hgJNB（7）或B（8）则氢核就会吸收电磁波的能量，由m=1/2的能级跃迁到m=-1/2的能级，这就是核磁共振吸收现象。式（7）就是核磁共

6、振条件。图1氢核的Zeeman能级分裂图2-1氢核能级在磁场中的分裂实际上，实验样品是大量核的集合。如果处于高能级上的核数目与处于低能级上的核数目没有差别，则在电磁波的激发下，上下能级上的核都要发生跃迁，并且跃迁几率是相等的，吸收能量等于辐射能量，我们究观察不到任何核磁共振信号。只有当低能级上的原子核数目大于高能级上的核数目，吸收能量比辐射能量多，这样才能观察到核磁共振信号。在热平衡状态下，核数目在两个能级上的相对分布由玻尔兹曼因子决定：N1EgNNB0expexpN2kTkT（9）式中N1为低能级上的核数目，N2为高能级上的核数目，E为上下能级间的能量差，k为玻尔兹曼

7、常数，T为绝对温度。当gNNB0kT时，上式可以近似写成N1gNNB01N2kT（10）上式说明，低能级上的核数目比高能级上的核数目略微多一点。对氢核来B01T说，如果实验温度T300K，外磁场，则N26N1N2616.7510710N1或N14⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯最新资料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯这说明，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出7个。这就是说，在低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个核中只有7个核的核磁共振吸收未被共振辐射所抵消。所以核磁共振信号非常微弱，检测如此微弱