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，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-馳豫過程：核自旋系統(tǒng)，通過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)過渡到平衡態(tài)的過程。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，馳豫過程中，受激離開平衡態(tài)的核系統(tǒng)通過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