核磁共振类实验实验报告样稿.docx

核磁共振类试验
试验汇报
核磁共振
脉冲核磁共振和核磁共振成像
第一部分 核磁共振基础原理

磁共振是指磁矩不为零原子或原子核在稳恒磁场作用下对电磁辐射能共振吸收现象。假如共振是由原子核磁矩引发，则该粒子系统产生磁共振现象称核磁共振（简写作NMR）;假如磁共振是由物质原子中电子自旋磁矩提供，则称电子自旋共振（简写ESR）,亦称顺磁共振(写作EPR)；而由铁磁物质中磁畴磁矩所产生磁共振现象，则称铁磁共振（简写为FMR）。
原子核磁矩和自旋概念是1924年泡利（Pauli）为研究原子光谱超精细结构而首先提出。核磁共振现象是原子核磁矩在外加恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场作拉莫尔进动，若在垂直于外磁场方向上是加一交变电磁场，当此交变频率等于核磁矩绕外场拉莫尔进动频率时，原子核吸收射频场能量，跃迁到高能级，即发生所谓谐振现象。
研究核磁共振有两种方法：一是连续波法或称稳态法，使用连续射频场（即旋转磁场）作用到核系统上，观察到查对频率感应信号；另一个是脉冲法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到查对时间响应信号。脉冲法有较高灵敏度，测量速度快，但需要快速傅里叶变换，技术要求较高。以观察信号区分，可观察色散信号或吸收信号。但通常观察吸收信号，因为比较轻易分析了解。从信号检测来分，可分为感应法，平衡法，吸收法。测量共振时，核磁矩吸收射频场能量而在周围线圈中感应到信号，则为感应法；测量因为共振使电桥失去平衡而输出电压即为平衡法；直接测量共振使射频振荡线圈中负载发生改变为吸收法。本试验用连续波吸收法来观察核磁共振现象。
核磁共振量子力学描述
核角动量P由下式描述，
（1）
式中，
I是核自旋磁量子数，可取0，1/2，1，...对H核，I=1/2。
核自旋磁矩和P之间关系写成
（2）
式中，称为旋磁比
e为电子电荷；为质子质量；为朗德因子。
以H核为例，式（2）可写为两种表示：
（3）
（4）
式中称为核磁子，是核磁矩单位。
把氢核放入外磁场，能够取坐标轴方向为方向。核角动量在方向上投影值由下式决定
式中称为磁量子数，能够取。
核磁矩在方向上投影值为
（5）
磁矩为原子核在恒定磁场中含有势能为
（6）
任何两个能级之间能量差则为
（7）
由选择定则， 时两能级间才可发生跃迁。
对氢核而言，I=1/2，所以磁量子数只能取两个值，即m=1/2，-1/2。磁矩在外场方向上投影也只能取两个值，图
1中（a）所表示，和此相对应能级图1中（b）所表示。
加一频率为ν高频磁场，假如电磁波能量和Zeeman能级间隔相等时，即
（7）
或 （8）
则氢核就会吸收电磁波能量，由m=1/2能级跃迁到m=-1/2能级，这就是核磁共振吸收现象。式（7）就是核磁共振条件。
图1 氢核Zeeman能级分裂
实际上，试验样品是大量核集合。假如处于高能级上核数目和处于低能级上核数目没有差异，则在电磁波激发下，上下能级上核全部要发生跃迁，而且跃迁几率是相等，吸收能量等于辐射能量，我们究观察不到任何核磁共振信号。只有当低能级上原子核数目大于高能级上核数目，吸收能量比辐射能量多，这么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相对分布由玻尔兹曼因子决定：
（9）
式中为低能级上核数目，为高能级上核数目，为上下能级间能量差，为玻尔兹曼常数，为绝对温度。当初，上式能够近似写成
（10）
上式说明，低能级上核数目比高能级上核数目略微多一点。对氢核来说，假如试验温度，外磁场，则
或
这说明，在室温下，每百万个低能级上核比高能级上核大约只多出7个。这就是说，在低能级上参与核磁共振吸收每一百万个核中只有7个核核磁共振吸收未被共振辐射所抵消。所以核磁共振信号很微弱，检测如此微弱信号，需要高质量接收器。
由式（10）能够看出，温度越高，粒子差数越小，对观察核磁共振信号越不利。外磁场越强，粒子差数越大，越有利于观察核磁共振信号。通常核磁共振试验要求磁场强部分，其原因就在这里。
另外，要想观察到核磁共振信号，仅仅