大学物理实验-核磁共振实验讲义

FD-CNMR-I型核磁共振实验仪说明书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海2FD-CNMR-I型核磁共振实验仪使用说明书一．概述磁矩是由许多原子核所具有的内部角动量或自旋引起的，自1940年以来研究磁矩的技术已得到了发展。物理学家正在从事的核理论的基础研究为这一工作奠定了基础。1933年，G·O·斯特恩（Stern）和I·艾斯特曼（Estermann）对核粒子的磁矩进行了第一次粗略测定。美国哥伦比亚的I·I·拉比（Rabi生于1898年）的实验室在这个领域的研究中获得了进展。这些研究对核理论的发展起了很大的作用。当受到强磁场加速的原子束加以一个已知频率的弱振荡磁场时原子核就要吸收某些频率的能量，同时跃迁到较高的磁场亚层中。通过测定原子束在频率逐渐变化的磁场中的强度，就可测定原子核吸收频率的大小。这种技术起初被用于气体物质，后来通过斯坦福的F.布络赫（Bloch生于1905年）和哈佛大学的E·M·珀塞尔（Puccell生于1912年）的工作扩大应用到液体和固体。布络赫小组第一次测定了水中质子的共振吸收，而珀塞尔小组第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收，两人因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。自从1946年进行这些研究以来，由于核磁共振的方法和技术可以深入物质内部而不破坏样品，并且具有迅速、准确、分辨率高等优点，所以得到迅速发展和广泛应用，现今已从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大的作用。我公司生产的FD-CNMR-I型核磁共振实验仪由边限振荡器、磁场扫描电源、磁铁以及外购频率计、示波器等组成，它具有调节方便、信噪比高、教学效果直观等特点。是大专院校优良的近代物理实验教学仪器。二．原理对于处于恒定外磁场中的原子核，如果同时再在与恒定外磁场垂直的方向上加一交变电磁场，就有可能引起原子核在子能级间的跃迁，跃迁的选择定则是，磁量子数m的改变为1m，也即只有在相邻的两子能级间的跃迁才是允许的。这样，当交变电磁场的频率0所相应的能量0h刚好等于原子核两相邻子能级的能量差时，即000BBghNN（1）时，处于低子能级的原子核就可以从交变电磁场吸收能量而跃迁到高子能级。这就是前面提到的，原子核系统在恒定和交变磁场同时作用下，并且满足一定条件时所发生的共振吸收现象——核磁共振现象。3由式（1）可以得到发生核磁共振的条件是200B（2）满足式（2）的频率0称为共振频率。如果用圆频率002表示，则共振条件可以表示为00B（3）由式（3）可知，对固定的原子核，旋磁比一定，调节共振频率0和恒定磁场0B两者或者固定其一调节另一个就可以满足共振条件，从而观察核磁共振现象。我公司生产的FD-CNMR-I型核磁共振实验仪采用永磁铁，0B是定值，所以对不同的样品，调节射频场的频率使之达到共振频率0，满足共振条件，核即从低能态跃迁至高能态，同时吸收射频场的能量，使得线圈的Q值降低产生共振信号。由于示波器只能观察交变信号，所以必须使核磁共振信号交替出现，FD-CNMR-I型核磁共振实验仪采用扫场法满足这一要求。在稳恒磁场0B上叠加一个低频调制磁场)sin(tBm，这个调制磁场实际是由一对亥姆霍兹线圈产生，此时样品所在区域的实际磁场为)sin(0tBBm。图1扫场法检测共振吸收信号(a)由于调制场的幅值mB很小，总磁场的方向保持不变，只是磁场的幅值按调制频率发生周期性变化，拉摩尔进动频率也相应地发生周期性变化，即4))sin((0tBBm（4）这时只要射频场的角频率调在变化范围之内，同时调制磁场扫过共振区域，即mmBBBBB000，则共振条件在调制场的一个周期内被满足两次，所以在示波器上观察到如图1-（b）所示的共振吸收信号。此时若调节射频场的频率，则吸收曲线上的吸收峰将左右移动。当这些吸收峰间距相等时，如图1-（a）所示，则说明在这个频率下的共振磁场为0B。如果扫场速度很快，也就是通过共振点的时间比弛豫时间小得多，这时共振吸收信号的形状会发生很大的变化。在通过共振点后，会出现衰减振荡，这个衰减的振荡称为“尾波”，尾波越大，说明磁场越均匀。三．仪器结构核磁共振实验仪主要有磁铁、磁场扫描电源、边限振荡器以及外购示波器、频率计组成。以下对各部分逐一介绍：（1）磁铁结构图2磁铁结构示意图A——面板：上有线圈引线的四组接线柱，实验时，可以任选其中一组；B——主体：起支撑线圈和磁钢以及形成磁回路的作用；C——外板：用于调节磁隙及中间磁场均匀度；D——螺丝：一面有六个，通过其调节；E——线圈：通过其施加一个扫描磁场；F——间隙：有效的工作区，样品置于其中；5G——磁钢：钕铁硼稀土永磁铁；H——纯铁：主要用于提高磁场均匀度。（2）磁场扫描电源图3磁场扫描电源示意图A——扫描幅度调节旋钮：用于捕捉共振信号，顺时针调节幅度增加；B——电源开关：整个磁场扫描电源的通断电控制；C——扫描输出接线柱：用叉片连接线连至磁铁面板接线柱；D——X轴幅度输出接线柱：用Q9叉片连接线接至示波器X轴输出，观察李萨如图形；E——电源线：接ACV220Hz50输入；F——边限振荡器电源输出：五芯航空插头，为边限振荡器提供工作电源；G——X轴幅度调节旋钮：用于扫描幅度的调节，顺时针调节幅度增大；H——X轴相位调节旋钮：用于信号相位的调节。（3）边限振荡器6图4边限振荡器示意图A——频率粗调旋钮：用于共振频率的粗调，顺时针频率增加；B——频率输出：接频率计，显示共振频率；C——频率微调旋钮：用于共振频率的微调，顺时针振频率增加；D——共振信号输出：接示波器，观测共振信号；E——电源输入：接磁场扫描电源的后面板“边限振荡器电源输出”；F——探头：内有产生射频场的线圈，外部是起屏蔽作用的铜管，前面装测量样品；G——幅度调节旋钮：用于调节射频场幅度，顺时针调节幅度增加；H——幅度显示表：表头指示射频场幅度；I——高度调节螺丝：用于调节探头在磁场中的空间位置。四．性能指标1．信噪比：1:100)40(dB2．振荡频率：MHzMHz2317（具体根据磁铁而定）3．频率调节范围：5.1minmaxff4．测量样品：氢核—1#4CuSO，2#3FeCl，4#丙三醇，5#纯水，6#4MnSO氟核—3#氟碳五．实验内容1．观察水中质子的核磁共振现象，并比较纯水样品（5#）与水中加入少量顺磁离子的样品7（如1#，2#，6#样品）以及与4#有机物丙三醇样品，核磁共振信号的变化；2．已知质子的旋磁比sT/106752.28，首先放入1#或者2#、5#、6#等样品，调节并观察核磁共振信号，从频率计读出共振频率，根据共振条件00B，求出此时的磁感应强度0B，不改变磁场，将样品换为3#氟碳样品，调节并观察氟的共振信号（注意：氟的核磁共振信号较小，应仔细调节），然后根据刚才得到的0B，计算氟核的旋磁比F，朗德因子Fg和核磁矩ZF；3．放入共振信号较明显的样品，如1#和2#样品，观察信号尾波，移动探头在磁场中的空间位置，了解磁场均匀性对尾波的影响。8FD-CNMR-I型核磁共振实验仪实验指导书一、概述核磁共振，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说，美国哈佛大学的珀塞尔等人，报道了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，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共振。因此，布洛赫和珀塞尔荣获了1952年的诺贝尔物理学奖。以后，许多物理学家进入了这个领域，取得了丰硕的成果。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。它是测定原子的阿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。二、原理下面我们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称为核磁矩，它们之间的关系通常写成P或PmegpN2（2－1）式中pNmeg2称为旋磁比；e为电子电荷；pm为质子质量；Ng为朗德因子。对氢核来说，5851.5Ng。按照量子力学，原子核角动量的大小由下式决定9)1(IIP（2－2）式中2h，h为普朗克常数。I为核的自旋量子数，可以取,23,1,21,0I对氢核来说，21I。把氢核放入外磁场B中，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mPB（2－3）式中m称为磁量子数，可以取IIIIm),1(,,1,。核磁矩在B方向上的投影值为mmehgPmegpNBpNB22将它写为mgNNB（2－4）式中12710050787.5JTN称为核磁子，是核磁矩的单位。磁矩为的原子核在恒定磁场B中具有的势能为BmgBBENNB任何两个能级之间的能量差为)(2121mmBgEEENNmm（2－5）考虑最简单的情况，对氢核而言，自旋量子数21I，所以磁量子数m只能取两个值，即21m和21m。磁矩在外场方向上的投影也只能取两个值，如图12中)(a所示，与此相对应的能级如图12中)(b所示。10图2-1氢核能级在磁场中的分裂根据量子力学中的选择定则，只有1m的两个能级之间才能发生跃迁，这两个跃迁能级之间的能量差为BgENN（2－6）由这个公式可知：相邻两个能级之间的能量差E与外磁场B的大小成正比，磁场越强，则两个能级分裂也越大。如果实验时外磁场为0B，在该稳恒磁场区域又叠加一个电磁波作用于氢核，如果电磁波的能量0h恰好等于这时氢核两能级的能量差0BgNN，即00BghNN（2－7）则氢核就会吸收电磁波的能量，由21m的能级跃迁到21m的能级，这就是核磁共振吸收现象。式（2－7）就是核磁共振条件。为了应用上的方便，常写成00BhgNN，即00B（2－8）2．核磁共振信号的强度上面讨论的是单个的核放在外磁场中的核磁共振理论。但实验中所用的样品是大量同类核的集合。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11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：kTBgkTENNNN021expexp（2－9）式中1N为低能级上的核数目，2N为高能级上的核数目，E为上下能级间的能量差，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。当kTBgNN0时，上式可以近似写成kTBgNNNN0211（2－10）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。对氢核来说，如果实验温度KT300，外磁场TB10，则6121075.61NN或6121107NNN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，检测如此微弱的信号，需要高质量的接收器。由式（2－10）可以看出，温度越高，粒子差数越小，对观察核磁共振信号越不利。外磁场0B越强，粒子差数越大，越有利于观察核磁共振信号。一般核磁共振实验要求磁场强一些，其原因就在这里。另外，要想观察到核磁共振信号，仅仅磁场强一些还不够，磁场在样品范围内还应