大学物理实验之核磁共振讲义.ppt

核磁共振
1924年泡利()提出核自旋的假设,1930年埃斯特曼(),1939年,拉比()以及随后的伯塞尔()和布洛赫()因观察到此现象而分别获得1944年和1952年诺贝尔物理学奖。核磁共振已成为确定物质分子结构、组成和性质的重要实验方法.
一、原理
1. 共振吸收
对于质子数和中子数两者或其一为奇数的原子核才有核自旋,其磁矩μ与核自旋角动量J成正比,可写成
(1)
r为旋磁比,实验上常用无量纲的比例因子g代替r,称为g因子,其间的关系可写成
式中e为电子电荷, ,h为普朗克常数,mp为质子质量,c为光速,I为核自旋量子数,对氢核,而常数
称为玻尔核磁矩。
当核自旋系统处在恒定磁场Bz中时,由于核自旋和磁场Bz间的相互作用,核能级发生塞曼能级分裂。对氢核这类I = 1/2的简单核系统,核能级仅分裂成上、下两个能级E2和E1,如图8-1所示。磁场为Bz时,塞曼分裂上下两能级间能量差与g和Bz成正比。
(2)
若在垂直于Bz方向上加一个频率为
的射频场,
当射频的量子能量与塞曼能级分裂正
好相等,即满足
(3)
这时,即发生能级间的核自旋粒子由E1
到E2的受激吸收跃迁和由E2到E1的受激发射
跃迁,此两种相反方向的跃迁几率相等且与
成正比,但由于N1 > N2,故对为数众多的
自旋系统(自旋粒子数在1014—1015以
上)统计上的净结果是从射频磁场吸收能量
而产生核磁共振吸收,式(3)称为核磁共
振条件。
图8 –1 核塞曼能级分裂
T2称为横向驰豫时间。 T2定义为
T2的大小反比于盐浓度。人体组织的骨、脂肪、肌肉、内脏、血液的盐浓度都不一样,所以在医用核磁共振仪上很容易区别它们。T2小则共振峰宽。
用示波器观察共振信号(示波器采用内扫描方式)。ω1是指共振信号三峰等间隔的圆频率,ω0是指共振信号二峰合一时的圆
频率,ω扫等于市电频率50乘以2л。Δt指
三峰等间隔时共振峰半高宽的时间间隔,它
可以通过如图8—2的比例求得。
用移相法观察:磁场和示波器都用同一音
频正弦波(50Hz)进行同步扫描,示波器上
看到李萨如图形,示波器Y轴接共振信号,X
轴接RC平衡式移相器的输出信号,电位器W1
用于移相,W2则用于调幅。ω1指二峰在中
间的圆频率,ω0指二峰一起移到边缘时的圆
频率,Δt通过如图8—3的比例求得。
二、实验内容
,硫酸铜水溶液样品中
H核核磁共振时,估算射频场的频率。


2. 用硫酸铜水溶液样品,用扫频法观察共
振信号,测出共振频率,标定磁场B。
3. 仍用硫酸铜水溶液样品,测量离磁场中
心前后约1cm处的磁场B,分析磁场均匀度。
4. 用硫酸铜或其它水溶液样品,分别用内
扫描法和移相法测出水的横向弛豫时间T2。
5. 使用氢氟酸(HF)样品,分别测出氢核
H和氟核F的共振频率、,计算gH和gF
因子,并与标准值比较,求百分差。