1、實用標準實驗2.3核磁共振的穩態吸收學號：10329073姓名：袁禮文班別：10光信息2班文案大全合作人：徐泳鈞 實驗日期：2012/10/08-2012/10/15【引言】核磁共振(簡稱NMR是指受電磁波作用的原子核系統在外磁場中磁能級之間發生共振 躍遷的現象，它源于 1939年美國物理學家拉比(I.I.Rabi )所創立的分子束共振法實現了 核磁共振這一物理思想，并通過實驗精確地測定了原子核的磁矩，為此他獲得了1944年的諾貝爾物理學獎。1946年伯塞爾(E.M.Purcell )小組和布洛赫(F.BIoch )小組分別在石 蠟和水這類一般凝聚態物質中觀測到穩態的NMR言號，為此他們分享了

2、 1952年的諾貝爾物理學獎。NM敲術在當代科技中有著極其重要的作用，已廣泛應用于許多學科的研究，成為 分析測試不可缺少的技術手段。核磁共振可采用穩態法和瞬態法兩種不同的射頻技術，本實驗采用連續射頻場作用于原子核系統，觀測NMR勺穩態吸收過程。【實驗目的】1、了解核磁共振的基本原理；2、利用核磁共振的方法測量樣品的旋磁比、核朗德因子和原子核磁矩。3、了解利用核磁共振精確測量磁場強度的方法。【實驗原理】1 單個核的磁共振通常將原子核的總磁矩在其角動量P方向上的投影 稱為核磁矩，它們之間的關系 通常寫成e P或=gNP2m Pe式中 =9n稱為旋磁比；e為電子電荷；m為質子質量；g n為朗德因子。

3、對2 m P氫核來說，g n =5.5851按照量子力學，原子核角動量的大小由下式決定實用標準p = I I 1 hh一一13式中h, h為普朗克常數。I為核的自旋量子數，可以取 I =0, ,1,，對氫2 二 2 2核來說I .12把氫核放入外磁場 B中，可以取坐標軸z方向為 B的方向。核的角動量在 B方向上的投影值由下式決定Pb =mh(2 3)式中m稱為磁量子數，可以取m = I , I -1" -(I _1), -I。核磁矩在B方向上的投影為eeh= g NPb -g N ()m2 m p2 m p將它寫為-b 二 g n Ln m(24)式中.I = 5.0 5787107

4、jt稱為核磁子，是核磁矩的單位。磁矩為二的原子核在恒定磁場 B中具有的勢能為E =B - -bB 二-gN JN mB任何兩個能級之間的能量差為LE-Em2 - -9n 丄 NB(m1 - m 2)( 2 5)1考慮最簡單情況，對氫核而言，自旋量子數|，所以磁量子數 m只能取兩個值，即211m 和。磁矩在外磁場方向上的投影也只能取兩個值，如圖2 1中的(a)所示,22與此相對應的能級如圖 2 1中(b)所示。文案大全圖27氫核能級在褪場中的分裂實用標準根據量子力學中的選擇定則，只有m二1的兩個能級之間才能發生躍遷，這兩個能級之間的能量為由這個公式可知：相鄰兩個能級之間的能量差丄E與外磁場B的大

5、小成正比，磁場越文案大全強，則兩個能級分裂也越大。如果實驗時外磁場為 B0，在該穩恒磁場區域又疊加一個電磁波作用于氫核，如果電磁(2 7)波的能量hv 0恰好等于這時氫核兩能級的能量差g n X Bo，即hv ° = g n .Ln B o1 i貝U氫核就會吸收電磁波的能量，由m的能級躍遷到m的能級，這就是核磁2 2共振的吸收現象式(2 7 )就是核磁共振條件。為了應用上的方便，常寫成Vo = () Bo ,即 Po 二 B o( 2 8)h2 核磁共振信號的強度上面討論的是單個的核放在外磁場中的核磁共振理論。但實驗中所用的樣品是大量同類核的集合。如果處于高能級上的核數目與處于低能級

6、上的核數目沒有差別，則在電磁波的激發下，上下能級上的核都要發生躍遷，并且躍遷幾率是相等的，吸收能量等于輻射能量， 我們就觀察不到任何核磁共振信號。只有當低能級上的原子核數目大于高能級上的核數目， 吸收能量比輻射能量多，這樣才能觀察到核磁共振信號。在熱平衡狀態下，核數目在兩個能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定：N2/ 汨/ gNBo、/、一二 exp( )二 exp( -)(2 9)N,kTkT式中N為低能級上的核數目,N2為高能級上的核數目,丄E為上下能級間的能量差，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度。當gjnBo心:：kT時，上式可以近似寫成kT(2 io)上式說明，低能級上的核數目比高能級上的

7、核數目略微多一點。對氫核來說，如果實驗溫度T=3ooK，外磁場Bo=1T，則N 26Ni_N26=1-6.7510 一 或:-710 一N ,N ,這說明，在室溫下，每百萬個低能級上的核比高能級上的核大約只多出7個。這就是說，在低能級上參與核磁共振吸收的每一百萬個核中只有7個核的核磁共振吸收未被共振輻射 所抵消。所以核磁共振信號非常微弱，檢測如此微弱的信號，需要高質量的接收器。由式(2 10)可以看出，溫度越高，粒子差數越小，對觀察核磁共振信號越不利。外磁場Bo越強，粒子差數越大，越有別于觀察核磁共振信號。一般核磁共振實驗要求磁場強一些，其原因就在這里另外，要想觀察到核磁共振信號， 僅僅磁場強

8、一些還不夠，磁場在樣品范圍內還應高度均勻， 否則磁場多么強也觀察不到核磁共振信號。原因之一是，核磁共振信號由式(2 7)決定,如果磁場不均勻，則樣品內各部分的共振頻率不同。對某個頻率的電磁波，將只有少數核參與共振，結果信號被噪聲所淹沒，難以觀察到核磁共振信號。【實驗技術分析】核磁共振實驗儀主要包括磁鐵及調場線圈、探頭與樣品、邊限振蕩器、磁場掃描電源、頻率計及示波器。實驗裝置圖如圖2所示。2-2核磁共振實驗裝置示意圖(1 )穩恒磁場磁鐵的作用是產生穩恒磁場Bo，它是核磁共振實驗裝置的核心，要求磁鐵能夠產生盡量強的、非常穩定、非常均勻的磁場。首先，強磁場有利于更好的觀察核磁共振信號；其次,磁場空間

9、分布均勻性和穩定性越好則核磁共振實驗儀的分辨率越高。核磁共振實驗裝置中的磁鐵有三類：永久磁鐵、 電磁鐵和超導磁鐵。 永久磁鐵的優點是， 不需要磁鐵電源和冷卻裝 置，運行費用低，而且穩定度高。電磁鐵的優點是通過改變勵磁電流可以在較大范圍內改變 磁場的大小。為了產生所需要的磁場，電磁鐵需要很穩定的大功率直流電源和冷卻系統，另外還要保持電磁鐵溫度恒定。超導磁鐵最大的優點是能夠產生高達十幾特斯拉的強磁場，對大幅度提高核磁共振譜儀的靈敏度和分辨率極為有益，同時磁場的均勻性和穩定性也很好， 是現代譜儀較理想的磁鐵，但儀器使用液氮或液氦給實驗帶來了不便。（2）邊限振蕩器邊限振蕩器具有與一般振蕩器不同的輸出特

10、性， 其輸出幅度隨外界吸收能量的輕微增加 而明顯下降，當吸收能量大于某一閾值時即停振， 因此通常被調整在振蕩和不振蕩的邊緣狀 態，故稱為邊限振蕩器。如圖2所示，樣品放在邊限振蕩器的振蕩線圈中，振蕩線圈放在固定磁場Bo中，由于邊限振蕩器是處于振蕩與不振蕩的邊緣，當樣品吸收的能量不同（即線圈的Q值發生變化）時，振蕩器的振幅將有較大的變化。當發生共振時，樣品吸收增強，振蕩變弱，經過二極管 的倍壓檢波，就可以把反映振蕩器振幅大小變化的共振吸收信號檢測出來，進而用示波器顯示。由于采用邊限振蕩器， 所以射頻場Bi很弱，飽和的影響很小。但如果電路調節的不好，偏離邊線振蕩器狀態很遠，一方面射頻場B1很強，出現

11、飽和效應，另一方面，樣品中少量的能量吸收對振幅的影響很小，這時就有可能觀察不到共振吸收信號。這種把發射線圈兼做接收線圈的探測方法稱為單線圈法。（3 ）觀測手段觀察核磁共振信號最好的手段是使用示波器， 但是示波器只能觀察交變信號， 所以必須 想辦法使核磁共振信號交替出現。 有兩種方法可以達到這一目的。 一種是掃頻法，即讓磁場 B0固定，使射頻場B的頻率'連續變化，通過共振區域，當;.-：:;譏=丫 “B。時出現共振峰。另一種方法是掃頻法，即把射頻場Bi的頻率固定，而讓磁場Bo連續變化，通過共振區域。 本實驗采用的是掃頻法。【實驗內容步驟】了解試驗裝置和測量用的儀器的使用操作，懂得調節穩恒

12、磁場、 掃場、射頻場和測定邊限振蕩器的工作頻率。振蕩器輸出經檢波和低放后的信號接示波器CH1,啟動試驗裝置和儀器，設備進入工作狀態即可進行以下的測量。(1) 將裝有1H核樣品的玻璃管插入振蕩線圈中并放置在磁鐵的中心位置，使振蕩線圈 軸線與穩恒磁場方向相互垂直。(2) 調節適當的掃場強度，緩慢調節射頻場的頻率，搜索NMR言號。(3) 分別改變射頻場的強度、頻率，觀察記錄吸收信號幅度的變化；改變樣品在磁場中 的位置觀察磁場均勻度對吸收波形的影響；改變掃場，觀察記錄吸收信號幅度的變 化；找出最佳實驗觀測狀態，并采用吸收峰等間距的方法觀測共振吸收信號。記錄 下實驗現象。采集相關圖像數據至優盤。B。(4

13、) 由數字頻率計測量射頻場的頻率：，用高斯計測量樣品所在處的穩恒磁場強度(5) 根據所得數據計算 、朗德因子gN和磁矩山(6) 測量多組(v，B),用平均值法，分析實驗測量值，及其誤差，并分析誤差原因?！緦嶒灁祿涗浥c分析】(一)觀察并找出影響共振信號的因素(1)射頻信號對核磁共振的影響分別改變射頻場的強度和頻率，觀察吸收信號的變化。測量圖形如下：150圖2-3改變射頻場的幅度前后共振信號的變化（第一幅圖為改變前，第二幅圖為改變后）圖2-4改變射頻場的頻率前后共振信號的變化（第一幅圖為改變前，第二幅圖為改變后）分析：由以上的圖形知，在改變射頻場的強度（或頻率）前，共振吸收波形為等間距波; 改變

14、強度（或頻率）后，共振吸收波形不再為等間距波形。理論上，最強的共振信號與邊限 振蕩器剛剛起振的狀態相對應。射頻幅度增大，其共振信號反而減弱。射頻幅度影響射頻頻率,對于已調好的狀態，如改變射頻幅度，則共振信號不再等間距。（2 ）掃場對核磁共振的影響改變掃場幅值，觀察吸收信號的變化。測量圖形如下：150t圖2-5改變掃場幅值前后共振信號的變化(第一幅圖為改變前，第二幅圖為改變后)分析：由以上圖形知，改變掃場幅值前后共振信號的間距沒有改變，但共振信號幅值發生變化。實驗一般采用50 Hz 交流電通過自耦變壓器降壓，然后送到掃場線圈， 這時便在穩恒磁場上疊加了一個交變磁場作為掃場.此時，要求掃場通過共振

15、區的時間要遠較縱向弛豫時間Ti和橫向弛豫時間T2長得多.采用50 Hz的掃場通常制備好的樣品來說，是未能滿 足穩態條件的，因為掃場速度不夠緩慢，以致磁化強度未能緊跟磁場的變化，共振吸收信號的最大值略滯后于共振點，且在共振區后出現擺動尾波.當采用T2很小的固體樣品來做實驗時，50 Hz掃場區可看作滿足穩態條件，這時共振信號沒有尾波出現。然而，若掃場幅值 太小而未能掃過整個譜線范圍，則信號幅值較??；若掃場幅值太大時，由于掃過共振區的時間太短，以致一些粒子還來不及實現能級躍遷，因而信號幅值也較小.(3) 穩恒磁場對核磁共振的影響改變樣品在磁場中的位置，觀察吸收信號的變化。測量圖形如下：B"

16、時間 t6時間t圖2-6改變樣品位置前后共振信號的變化（第一幅圖為在磁場中心近，第二幅圖為離磁場中心稍稍遠，第 三幅離中心最遠）分析：由圖形變化規律知，在偏離磁場中心時（此時磁場為不均勻磁場）共振信號峰谷值相差較大，且偏離磁場中心越遠則共振信號畸變越大。理認上，外磁場空間分布的均勻性與否對共振信號的質量影響極大， 若磁場不均勻，將會使共振譜線產生附加展寬，一般來說,當磁場的不均勻性大于 10-4時，共振信號會因磁場非均勻展寬而嚴重變小，甚至消失因 此，要想觀察到清晰的核磁共振信號，磁場在樣品范圍內應高度均勻.原因之一是核磁共振信號由共振吸收的頻率條件決定，如果磁場不均勻，則樣品內各部分的共振頻

17、率不相等，對于偏離 的原子核則不能參與共振，使得參與共振的原子核數目不足，結果是信 號被噪聲所淹沒，難以觀察到核磁共振信號.（二）計算氫核的旋磁比、朗德因子gN和磁矩 山調節出最佳實驗觀測狀態，共振信號如圖2-7所示：B時間 t1圖2-7 H樣品的共振圖形表2-1射頻場與磁感應強度相關數據表次數12345射頻場頻率V /MHz19.734219.740519.741119.741719.7419磁感應強度B/T0.4340.4320.4300.4320.432V=-(19.7342+19.7405+19.7411+19.7417+19.7419)=19.7399MHz,b=-(0.434+0.

18、432+0.430+0.432+0.432 )=0.432T,氫核的旋磁比為：由于核磁子為：一 則氫核的朗德因子為：理論，則實驗測得朗德因子的相對誤差為:由于氫核的角動量為： 則氫核的磁矩可求得為: 朗德因子的理論值為理論理論誤差分析：1、示波器顯示的波形，根據肉眼判斷不可能調到完全的等間距，是本實驗的系統誤差。2、穩恒磁場B0的測量時，必須標記樣品在磁場中的位置，高斯計探頭位置的誤 差，容易導致Bo偏差。3、高斯計的探頭在磁場中方位的變化容易導致數據急劇變化，實驗者手臂的抖 動導致了高斯計讀數的浮動，帶來讀數偶然誤差?！舅伎寂c討論】1、觀測NMR共振時需要提供哪幾種磁場，它們各起什么作用？答：（1）穩恒磁場。穩恒磁場提供產生能級塞曼分裂的外磁場。穩恒磁場要求磁鐵能夠盡量產生強的、穩定均勻的磁場。 強磁場有利于更好的觀察核磁共振信號；磁場空間分布均勻性和穩定性越好則核磁共振實驗儀的分辨率越高。（2 ）掃描磁場。掃描磁場產生一較弱的調制磁場疊加在主磁場上，使作用于樣品的外磁