核磁共振試驗報告及數據核磁共振試驗報告及數據2023年核磁共振試驗報告及數據核磁共振試驗報告及數據0420日核磁共振1了解核磁共振的根本原理教學目的2g因子的方法3理解1核磁共振的根本原理2磁場強度和馳豫時間的計算。教學方法講授、爭論、試驗演示相結合。學時3個學時一、前言核磁共振是重要的物理現象。核磁共振技術在物理、化學、生物、醫學和臨床診斷、計量科學、石油分析與勘探等很多領域得到重要應用。自旋角動量P不為零的原子核具有相應的磁距μ理量B時核磁矩和外磁場的相互作用使磁能級發生塞曼分裂相鄰能級的能量差為其中hh/2πh為普朗克常數B垂直的平面內加一個頻率為ν的射頻場當時就發生共振現象。通常稱y/2π為原子核的盤旋頻率一些核素的盤旋頻率數值見附錄。核磁共振試驗是理科高等學校近代物理試驗課程中的必做試驗之一如今很多理科院校的非物理類專業和很多工科、醫學院校的根底物理試驗課程也安排了核磁共振試驗或演示試驗。利用本裝置和用戶自備的通用示波器可以用掃場的方式觀看核磁共振現象并測量共振頻率適合于高等學校近代物理試驗根底試驗教學使用。二、試驗儀器永久磁鐵含掃場線圈、可調變阻器、象核磁共振試驗技術在物理、化學、生物、臨床診斷、計量1945年覺察核磁共振現象的美國科學家Purcell和Bloch1952年獲諾貝爾物理學獎。在改進核磁共振技術方面作出重要奉獻的瑞士科學家Ernst1991年獲得諾貝爾化學獎。大家知道氫原子中電子的能量不能連續變化只能取分立的數值在微觀世界中物理量只能取分立數值的現象很一般本試驗涉及到的原子核自旋角動量也不能連續變化只能取分立值其中I稱為自旋量子0123?6?71/23/25/2?6?7等半整數值公式中的h/2而h為普朗克常數對不同的核素I不同確實定數值本試驗涉及質子和氟核F19的自旋量子數I都等于1/2類似地原子核的自旋角動量在空間某一方向例如z方向的重量也不能連續變化只能取分立的數值PzmmII-1?6?7-II-I2I1個數值。自旋角動量不為零的原子核具有與之相聯系的核自旋磁矩其大小為1其中e為質子的電荷M為質子的質量g是一個由原子核構造打算的因子對不同種類的原子核g的數值不同g稱為原子核的g因子值得留意的是g可能是正數也可能是負數因此核磁矩的方向可能與核自旋動量方向一樣也可能相反。由于核自旋角動量在任意給定z方向只能取2I1個分立的數值因此核z2I12原子核的磁μNeh/2MμNμN作為核磁矩的單位后μZ可記住μZgmμN與角動量本身的大小為相對應核磁矩本身的大小為gμNg因子表征核的磁性質外通常引入另一個可以由試驗測量的物理量γγ定義原子核的磁矩與自旋角動量之比3利用γ我們可寫成μγp相應地μzγpz。當不存在磁場時每一個原子核的能量一樣全部原子處在同一能級但是當施加一個外磁場B后狀況發生變化為了便利起見通常把B的方向規定為z方向由于外磁場B與磁矩的相互作用能為E-μ·B-μzB-γpzB-γmB4因此量子m取值不同的核磁矩的能量也就不同從而原來簡并的同一能級分裂為2I1個子能級由于在外磁場中各個子能級的能量與量子數間隔△EγB全是一樣的而且對于質子而言I1/2因此m只能取m1/2和m-1/2兩個數值施加磁場前后的能級分別如圖1中的a和b所示當施加外磁場B以后原子核在不同能級上的分布聽從玻爾茲曼分布明顯處在下能級的粒子數要比上能E這時假設在與B垂直的方向上再施加上一個高頻電磁場通常為射頻場當射頻場的頻率滿足hν△E時會引起原子核在上下核要多因此凈效果是上躍遷的比下躍遷的多從而使系統的總能量增加這相當于系統從射頻場中吸取了能量。aB0bB01hv△E時引起的上述躍遷稱為共振躍遷簡稱為共振。明顯共振要求hv△E從而要求射頻場頻率滿足共E-μ·B-μzB-γpzB-γmB52πν表示共ωγB6假設頻率的單位用Hz磁場的單位用T特斯拉1特斯拉10000高斯對暴露的質子而言經過測量得到/2π42.577469MHz/T但是對于原子或分子中處于不同的基團的質子由于不同質子所處的化學環境不同受到四周電子屏25攝式度球形容器中水樣品的質子42.576375MHz/T本試驗可承受這個數值作為很好的近似值通過測量質子在磁場B中的共振頻率可實現對磁場的校準即7反之假設B已經校準通過測量未知原子核的共振頻率v便可求出待測原子核值通常用值表征或g因子89其中7.6225914MHz/T通過上述爭論要發生共振必需滿足v·B為了觀看到共振現象通常有兩種方法一種是固定B連續轉變射場的頻率這種方法稱為掃頻方法另一種方法也就是本試驗承受的方法即固定射場的頻率連續轉變磁場的大小這種方法稱為掃場方法假設磁場的變化不是太快而是緩慢通過與頻率v對應的磁場時用肯定的方法可以檢測到系統對射場的吸取信號如圖2a所示稱為吸取曲線這種曲線具有洛倫茲型曲線的特征但是假設掃場變化太快得到的將是如圖2b所示的帶有尾波的衰減振蕩曲線然而掃場變化的快慢是相對具體樣品而言的例如本試驗承受的掃場的磁場其吸取信號將如圖2a所示而對液態的水樣品而言卻是變化太快的磁場其吸取信號將如圖2b所示而且磁場越均勻尾波中振蕩的次數越多。ab2二核磁共振法測量馳豫時間在共振吸取過程中低能級的粒子躍遷到高能級使高、低能級的粒子數分布趨于均等這時共振吸取信號消逝粒子系統處于飽和狀態。但由于物質內部機制存在著恢復平衡狀態的逆過程在適當的試驗條件下仍可觀測到穩定的共振吸取信號。所謂馳豫過程就是表征系統由非平衡狀態趨向平衡狀態的過程該過程所經受的時間稱為馳豫時間。熱平衡時由于每個粒子的磁矩都繞外場進上粒子磁矩的大小按玻爾茲曼分布求和得到。假設通過某種途徑使系統偏離熱平衡態。宏觀上表現為系統總磁矩在試驗室坐標系的三個方向上的重量為MxMyMz統恢復到熱平衡態。一是通過與晶格交換能量使由上、下能級粒子數分布依據下式所確定的自旋體系的溫度Ts最終與Mz最終等于即此過程稱為自旋——T1反映了系統縱向磁矩Mz趨向熱平衡值時速度的快慢稱為縱向馳豫時間。在自旋系統中還存在另一種自旋——自旋馳豫過程稱為自旋——自旋相互作用。它不轉變自旋粒子體系各能級上粒子xy方向上的重量Mx和My中T2稱為橫向馳豫時間。實際上在核磁共振中上述的共振吸取與馳豫過程是同時進展。通過共振吸取粒子數偏離平衡態分布。另一方面又通過馳豫回到熱平衡態。當這兩個過程到達動態平衡時消滅穩定的吸取信號稱為穩態核磁共振吸圖如圖3數字頻率計、示波器等組成。永久磁鐵對永久磁鐵的要求是有極強的磁場、足夠大的均勻區和均勻性好本試驗所用的B0≥0.5T5mm3范圍內均勻性優于10-5。二掃場線圈用來產生一個幅度大小在零點幾高斯到十幾高斯的可調交變磁場用于觀看共振信號掃場線圈的電流由可調變阻器的輸出后供給掃場的幅度可通過可調變阻器調整三探頭射頻場的產生與共振信號的探測本試驗供給兩個探頭其中樣品為、和圖3二校準永久磁鐵中心的磁場Bo把樣品為水摻有HF的探頭下端的樣品盒插入到磁鐵中心并使電路盒水平放置在磁鐵上方的機座上左右移動電路盒使它大致處于機座的中間位置將電路盒反面的“頻率測試”和“共振信號”分別與頻率計和示波器連接把示波器的掃描速度旋鈕放在5ms/格位置縱向放大旋鈕放在0.1V/格或0.2V/格位置翻開頻率計示波器和邊限振蕩器的電源開關這時頻率計應有讀數接通可調變阻器電流到中間位置緩慢調整邊限振蕩器的頻率旋鈕轉變振蕩頻率由小到大或由大到小同時監視示波器搜尋共振信號。三估測HFH核的馳T2X-Y輸入方法把底座前方標有“掃場輸出”的信號它與掃場線圈兩端電壓成正比輸X端“共振信號”Y振頻率適當增大掃場幅度從示波器上觀看到的將是重疊而又相互錯開了兩個共振峰可利用相移調整旋鈕轉變兩個峰的位置。利用示波器上的網格估測其中一個共振峰的半寬度2KKΔB/2。然后固定掃場的1.中一樣方法測出共振發生在掃場的峰頂與谷底時的共振頻率和求出2進而求出氟核共振峰的半寬度ΔB然F間T2上面式中為氟核的盤旋頻率參見附錄。五、數據表格及數據處理1由計算磁場強度。依據公式其中為三峰等間隔時的掃場頻率需要測量三種溶液中H的共振頻率。2.計算馳豫時間只測H1不要任憑搬動桌面上儀器的擺放位置特別是不準移動永久磁場的位置不準動上面的任何螺絲。2接通電源前應把輸出電流03試驗過程中全部按鍵旋鈕要“輕按慢旋”沒有搞清功能前都不準使用儀器。4.邊限電流調整會對頻率產生影響。因此在調整邊限電流后再調整頻率進展補償使每一次測量頻率保持全都。?6?15.樣品必需安置再磁場的均勻區內。假設樣品安置在均勻區域內信號會格外明顯。所以樣品在磁場中的位置格外重要必需認真認真觀測信號隨樣品位置上下、左右的變化力求取得最正確1本試驗由于教