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《近代物理實(shí)驗(yàn)講義(上)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、實(shí)驗(yàn)一核磁共振磁共振是一種重要的物理現(xiàn)象。磁矩不為零的微觀粒子，在恒定磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生一系列的分立能級(jí)。這些能級(jí)與量子力學(xué)所允許的電子自旋或核自旋以及與其相聯(lián)系的磁矩的不同取向相對(duì)應(yīng)，自旋磁矩同電磁輻射的交變磁場(chǎng)相互作用。當(dāng)具有一定方位的交變磁場(chǎng)的頻率與這些能級(jí)間的距離相當(dāng)時(shí)，可觀察到選擇定則所允許的躍遷，產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象，并可從交變磁場(chǎng)中吸收能量，得到磁共振波譜。磁共振吸收譜在射頻和微波波段。當(dāng)研究對(duì)象是自旋不為零的原子核時(shí)稱(chēng)為核磁共振(NMR)；對(duì)于電子則稱(chēng)為電子順磁共振(ESR)或電子自旋共振
2、。二者有著共同的理論基礎(chǔ)。核磁共振能反映物質(zhì)內(nèi)部信息而不破壞物質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有較高的靈敏度和分辨本領(lǐng)，因此核磁共振技術(shù)在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和臨床診斷、計(jì)量科學(xué)、石油分析與勘探等許多領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。核磁共振實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校近代物理實(shí)驗(yàn)課程中的必做實(shí)驗(yàn)之一。如今,許多理科院校的非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)和許多工科、醫(yī)學(xué)院校的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程也安排了核磁共振實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求1．了解核磁共振基本原理和實(shí)驗(yàn)方法；2．觀察水樣品中質(zhì)子的共振信號(hào)，學(xué)會(huì)用NMR法測(cè)量磁場(chǎng)；3．觀察聚四氟乙烯樣品中氟核的共振
3、信號(hào)，測(cè)量氟核的g因子。.二．實(shí)驗(yàn)原理（一）磁共振理論自旋角動(dòng)量P不為零的原子核具有相應(yīng)的磁矩μ,關(guān)系為：其中稱(chēng)為原子核的旋磁比,是表征原子核性質(zhì)的重要物理量之一。分別為粒子的電荷和質(zhì)量，為朗德因子。磁共振理論有經(jīng)典和量子兩種，都能說(shuō)明共振現(xiàn)象的本質(zhì)，現(xiàn)分別予以介紹。1．磁共振的宏觀理論80從經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)看，具有磁矩μ和角動(dòng)量P的粒子，在外磁場(chǎng)中受到一個(gè)力矩L的作用：其運(yùn)動(dòng)方程為：,考慮到，有：(1)上式是微觀磁矩在外場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程。設(shè)外加磁場(chǎng)恒定且方向沿z軸。解方程（1）得到：(2)由此可見(jiàn),在外
4、加穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用下，總磁矩μ繞磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)，如圖1所示。進(jìn)動(dòng)角頻率為。由上述推導(dǎo)看出,磁矩μ的進(jìn)動(dòng)頻率與μ和外磁場(chǎng)之間的夾角θ無(wú)關(guān)。圖1磁矩在外磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)示意圖圖2xy平面內(nèi)加進(jìn)示意圖圖3存在時(shí)磁矩進(jìn)動(dòng)情況下面討論外加磁場(chǎng)除了穩(wěn)恒磁場(chǎng)外,在x-y平面上再加上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其頻率為80，旋轉(zhuǎn)方向與μ進(jìn)動(dòng)方向一致。這樣對(duì)μ的影響似一恒定磁場(chǎng)，因此磁矩μ在力矩的作用下也繞進(jìn)動(dòng)，使μ和之間夾角加大,如圖2，3所示。因?yàn)棣膛c的相互作用能為：（3）因此θ增大，意味著系統(tǒng)的能量增加。表示粒子從中獲得能量，這就是磁共振的經(jīng)典
5、觀點(diǎn)。系統(tǒng)的這個(gè)能量的變化可借助于外電路加以探測(cè)。實(shí)際研究的樣品不是單個(gè)磁矩,而是由這些磁矩構(gòu)成的磁化矢量；另外研究的系統(tǒng)不是孤立的，而是與周?chē)镔|(zhì)有一定的相互作用。只有考慮了這些問(wèn)題,才能建立起磁共振的理論。有關(guān)的詳細(xì)討論見(jiàn)附錄。2．磁共振的量子理論微觀粒子自旋角動(dòng)量和自旋磁矩在空間的取向是量子化的，P在外磁場(chǎng)方向（方向）的分量只能?。海葌€(gè)值。為自旋量子數(shù)，稱(chēng)為磁量子數(shù)。在外磁場(chǎng)中，磁矩μ與的相互作用能為：即磁矩與外場(chǎng)的相互作用能也是不連續(xù)的，形成分立的能級(jí)。兩相鄰能級(jí)間的能量差是：（4）當(dāng)垂直
6、于恒定磁場(chǎng)的平面上施加一個(gè)交變電磁場(chǎng)，其頻率滿足時(shí)，將發(fā)生粒子對(duì)電磁場(chǎng)能量的吸收（或輻射），引起粒子在次能級(jí)間的躍遷，即磁共振現(xiàn)象。有關(guān)磁共振量子理論其它問(wèn)題詳見(jiàn)附錄。（二）核磁共振進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)，需有一個(gè)穩(wěn)恒的外磁場(chǎng)和一個(gè)與和所組成的平面垂直的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)?shù)慕穷l率滿足時(shí)，發(fā)生核磁共振。為核的旋磁比。核的朗德g因子與旋磁比的關(guān)系為：,為核磁子,。80觀察核磁共振信號(hào)有兩種方法。一是固定，讓的頻率連續(xù)變化并通過(guò)共振區(qū)，當(dāng)時(shí)，即出現(xiàn)共振信號(hào)，此為掃頻法。二是使的頻率不變，讓連續(xù)變化掃過(guò)共振區(qū)，則為掃場(chǎng)
7、法。由于技術(shù)上的原因，一般用掃場(chǎng)法，即在穩(wěn)恒磁場(chǎng)上迭加一交變低頻調(diào)制磁場(chǎng)，使樣品所在的實(shí)際磁場(chǎng)為，如圖4(a)，相應(yīng)的進(jìn)動(dòng)頻率也周期性變化，如果射頻場(chǎng)的角頻率是在圖5等間距共振信號(hào)圖4核磁共振信號(hào)的變化范圍內(nèi)，則當(dāng)變化使掃過(guò)所對(duì)應(yīng)的共振磁場(chǎng)時(shí)，則發(fā)生共振，從示波器上觀察到共振信號(hào)如圖4(b)。改變或都會(huì)使信號(hào)位置相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)共振信號(hào)間距相等且重復(fù)頻率為時(shí)，表示共振發(fā)生在調(diào)制磁場(chǎng)等處，如圖5，此時(shí)。若已知樣品的，測(cè)出此時(shí)對(duì)應(yīng)的射頻場(chǎng)頻率，即可算出。反之測(cè)出可算出和g因子。根據(jù)布洛赫方程穩(wěn)定解條件，磁場(chǎng)
8、變化（掃場(chǎng)）通過(guò)共振區(qū)所需的時(shí)間要遠(yuǎn)大于馳豫時(shí)間，，這時(shí)得到的是圖6所示的穩(wěn)態(tài)共振吸收信號(hào)。如果掃場(chǎng)速度太快，不能保證穩(wěn)態(tài)條件，就將觀察到不穩(wěn)定的瞬態(tài)現(xiàn)象。不同的實(shí)驗(yàn)條件觀察到的瞬態(tài)現(xiàn)象不同。通常觀察到如圖7所示的尾波現(xiàn)象。80圖6穩(wěn)態(tài)共振吸收信號(hào)圖7瞬時(shí)共振吸收信號(hào)三．實(shí)驗(yàn)儀器介紹（一）實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置由永久磁鐵、掃場(chǎng)線圈、探頭（由電路盒和樣品盒組成）、小變壓器、木座組成。它們與配套使用的可調(diào)變壓器、示波器和數(shù)字頻率計(jì)連接的方框圖見(jiàn)圖8。1.永久磁鐵2.掃場(chǎng)線圈3.
