近代物理實(shí)驗(yàn)講義定稿1

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1、實(shí)驗(yàn)五核磁共振觀測(cè)目的:1、初步了解核磁共振的原理及是實(shí)驗(yàn)裝置;2、初步學(xué)會(huì)利用掃頻法觀察氫核的核磁共振現(xiàn)象;3、加深對(duì)核自旋的認(rèn)識(shí)儀器:CNMR-1核磁共振儀原理:1、核磁共振:指在外磁場(chǎng)作用下氫原子核系統(tǒng)中磁能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷的現(xiàn)象。具體的說(shuō),就是原子核的自旋磁矩在外恒定磁場(chǎng)作用下,核磁矩繞此磁場(chǎng)發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng),若此時(shí)在垂直于外磁場(chǎng)的平面上施加一交變電磁場(chǎng),當(dāng)此交變射頻場(chǎng)頻率等于核磁矩繞恒定外磁場(chǎng)進(jìn)行拉莫爾進(jìn)動(dòng)的頻率時(shí),發(fā)生諧振的現(xiàn)象;其表現(xiàn)是核磁共振吸收能量。如圖所示:2、核磁共振的作用:原子核可以看成自然界安排在物質(zhì)內(nèi)部的微小探針。只要很小的射頻量子能量(

2、)就可以探測(cè)到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的信息,由于原子核成對(duì)相互作用對(duì)局部環(huán)境很敏感,核磁共振信號(hào)可提供豐富的物資結(jié)構(gòu)信息,諸如譜線寬度、形狀、面積、譜線在頻率或磁場(chǎng)方向上準(zhǔn)確位置,精細(xì)結(jié)構(gòu)等,對(duì)確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)等研究有重要價(jià)值。3、核磁共振吸收:A:旋磁比:對(duì)于質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)兩者或其一為奇數(shù)的原子核有核自旋,其磁矩u與核自旋角動(dòng)量J成正比。可寫成:即旋磁比,其值可正可負(fù),由核的本性決定。-7-B:g因子,是一個(gè)無(wú)量綱因子,實(shí)驗(yàn)上常用以代替,其間關(guān)系為:()其中為核自旋量子數(shù),玻爾核磁矩,電子電荷,質(zhì)子質(zhì)量。c:外磁場(chǎng)作用:當(dāng)核自旋系統(tǒng)處在恒定磁場(chǎng)中時(shí),由于核自旋和

3、磁場(chǎng)的互相作用,核能級(jí)發(fā)生塞曼能級(jí)分裂。對(duì)于氫核的簡(jiǎn)單核系統(tǒng),核能級(jí)分裂成上、下兩個(gè)能級(jí)和,上、下兩能級(jí)上的自旋粒子數(shù)分別為和,熱平衡時(shí)自旋粒子隨能量增加按指數(shù)規(guī)律下降,有。同時(shí)塞曼分裂上、下兩能級(jí)間能量差與g和成比。分裂能級(jí)如圖:其中分裂能級(jí)間能量差為拉莫爾運(yùn)動(dòng)磁力矩為拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率D:射頻場(chǎng):在垂直于方向上加一個(gè)頻率為(~Hz)的射頻磁場(chǎng)(<<),當(dāng)射頻場(chǎng)的量子能量與塞曼分裂正好相等時(shí),即滿足:此時(shí)發(fā)生能級(jí)間核自旋粒子由到的受激吸收躍遷和由到的受激發(fā)射躍遷,這兩種發(fā)生方向相反的躍遷幾率相等且與成正比,由于,對(duì)于核自旋系統(tǒng),(N在~以上)統(tǒng)計(jì)結(jié)果是從射頻磁場(chǎng)吸收能

4、量產(chǎn)生核磁共振吸收,為核磁共振條件。4、縱向馳豫和橫向馳豫-7-馳豫過(guò)程:核自旋系統(tǒng),通過(guò)自旋和晶格之間的相互作用以及自旋與自旋之間相互作用,逐步由非平衡態(tài)過(guò)渡到平衡態(tài)的過(guò)程。由于物質(zhì)間相互作用產(chǎn)生,普遍存在于各種宏觀物質(zhì)中,發(fā)生核磁共振的前提是核自旋體系磁能級(jí)間粒子數(shù)差不為零,而核磁共振本身則是此粒子數(shù)由起始值按指數(shù)規(guī)律變化,且隨時(shí)間增大而變小。由于共振吸收,系統(tǒng)處于非平衡態(tài),如不計(jì)馳豫效應(yīng)則無(wú)法觀察到穩(wěn)定的共振信號(hào)。馳豫效應(yīng)分為縱向和橫向的馳豫??v向馳豫過(guò)程主要表現(xiàn)自旋-晶格相互作用,是共振核自旋系統(tǒng)與晶體中其他核交換能量,從非平衡態(tài)到平衡態(tài)所需的時(shí)間,用表示;

5、橫向馳豫過(guò)程是共振核與鄰近核自旋-自旋的相互作用,從而交換能量的過(guò)程,其所需用的時(shí)間用表示。理論和實(shí)驗(yàn)已表明,馳豫過(guò)程使粒子處于某一狀態(tài)的時(shí)間有一定的限制,減小將使共振吸收譜線寬度增加;另外射頻場(chǎng)越大,粒子受激幾率越大,使粒子處于某一能級(jí)的壽命減小,同樣也使共振吸收譜線變寬;總之,馳豫過(guò)程中,受激離開(kāi)平衡態(tài)的核系統(tǒng)通過(guò)能量交換能再次恢復(fù)到平衡態(tài),這樣就出現(xiàn)連續(xù)不斷的共振信號(hào),從而使我們能從示波器上檢測(cè)到一個(gè)穩(wěn)定的核磁共振吸收信號(hào)。理論上,為三峰等間距時(shí)的園頻率,為二峰合一時(shí)的園頻率,為提供電磁鐵工作的50赫茲交流電,為三峰等間距時(shí)半高寬對(duì)應(yīng)的時(shí)間,如圖所示:實(shí)驗(yàn)原理

6、圖:-7-實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:1、調(diào)試并觀察溶液樣品中氫核核磁共振吸收時(shí)尾波信號(hào),并通過(guò)移動(dòng)樣品位置,定性考察磁性分布情況;描出氫核共振吸收信號(hào);2、利用尾波信號(hào)法估算橫向馳豫時(shí)間;3、測(cè)算溶液中氫核核磁共振吸收時(shí)磁場(chǎng)大??;(、、)4、用李薩如圖形觀測(cè)共振吸收信號(hào)并描圖。-7-實(shí)驗(yàn)十磁阻效應(yīng)目的:1、加深對(duì)霍爾效應(yīng)的理解;2、通過(guò)對(duì)磁阻效應(yīng)的測(cè)量,加深對(duì)正常磁電阻現(xiàn)象的理解儀器:MR-1磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀概述:磁阻器件由于其靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),使之在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。例如:偽鈔鑒別、交流車輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)學(xué)羅盤、位置測(cè)量等探測(cè)器

7、。磁阻器件品種較多,可分為正常磁電阻、各向異性磁電阻、特大磁電阻、巨磁電阻和隧道磁電阻等,其中以正常磁電阻應(yīng)用最為普遍。銻化錮(Insb)傳感器是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的正常磁電阻,有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。它可用于制造在磁場(chǎng)微小變化時(shí)測(cè)量多種物理量的傳感器。本實(shí)驗(yàn)使用兩種材料作為傳感測(cè)量,以砷化鎵caAs測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度,同時(shí)研究銻化錮在磁感應(yīng)強(qiáng)度下的電阻,實(shí)驗(yàn)中融合了霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象。具有科學(xué)的前瞻性。原理:1、磁阻效應(yīng):一定條件下,導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化的現(xiàn)象。2、微觀機(jī)制:如圖1所示:在磁場(chǎng)B作用下,半導(dǎo)體內(nèi)截流子將受洛侖茲力的作

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