核磁共振实验报告.doc

1、前言和实验目的 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象。本实验的样品在外磁场中，外磁场使样品核能级因核自旋不同的取向而分裂，在数千高斯外磁场下核能级的裂距一般在射频波段，样品在射频电磁波作用下，粒子吸收电磁波的能量，从而产生核能级的跃迁。1932年发现中子后，才认识到核自旋是质子自旋和中子自旋之和，质子和中子都是自旋角动量为的费米子，只有质子数和中子数两者或其一为奇数时，核才有非零的核磁矩，正是这种磁性核才能产生核磁共振。 核磁共振信号可提供物质结构的丰富信息，如谱线的宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场刻度上的准确位置、谱线的精细结构、超精细结构、弛豫时间等，加之是对样品的无损测量，广泛的应用于分子结构的确定、液相和固相的动力学研究、医用诊断、固体物理学、分析化学、分子生物学等领域，是确定物质结构、组成和性质的重要实验方法。核磁共振还是磁场测量和校准磁强计的标准方法之一，其不确定度可达%。 实验目的： （1）掌握核磁共振的实验原理和方法 （2）用核磁共振方法校准外磁场B，测量氟核的因子以及横向驰豫时间 2、实验原理 如原子处在磁场中会发生能级分裂一样，许多原子核处在磁场中也会发生能级的分裂，因为原子核也存在自旋现象。质子和中子都是自旋角动量等于的费米子，当质子数和中子数都为偶数时原子核的磁矩为0，当其一为奇数时原子核磁矩为半整数，当两个都为奇数时核磁矩为整数。只有具有核磁矩的原子核才有核磁共振现象。 我们知道在微观世界里物理量都只能取分立的值，即都是量子化的。原子核的角动量也只能取分立的值,I为自旋量子数，取分立的值。对于本实验用到的和，自旋量子数I都为1/2。沿z方向的角动量为，在这里m只能取1/2或-1/2。而自旋角动量不为0的核具有核磁矩，考虑沿z轴方向则有，其中以为原子核磁矩的基本单位，。 在没有磁场作用时，原子核的能量时一样的，但处于磁场中则会发生能级分裂，，本实验中，故有。外加一射频场，当满足一定的条件时就会发生共振吸收，条件为，从而有共振频率。通过测量ν，B可以得到γ；而在已知某原子核γ值的情况下，通过测量共振频率即可得磁场强度。 通过以上的讨论我们已经了解了核磁共振的机理，而为了观察到共振现象通常有两种方法：一种是固定B连续改变频率，称为扫频法；另一种为固定频率连续改变磁场大小，称为扫场法，也是本实验采用的方法。如果扫场速度慢将得到洛伦兹型曲线，若变化较快则得到带有尾波的衰减振荡曲线。但对于不同原子核而言，快慢的定义是不同。在本实验中采用的频率为50hz, 对而言是快场，而对而言则为慢场。另外磁场越是均匀，尾波的振荡次数就越多。 3、实验器材 永久磁铁(含扫场线圈)、边限振荡器(包括探头两个(样品分别为水和聚四氟乙烯))、数字频率计、示波器、可调变压器 4、注意事项 1、应注意尽量把样品放至中间以获得较均匀磁场，可通过对示波器的观察进行调节。 2、注意接线，本实验对外界信号较为敏感，故要注意保证接线的可靠性。 3、调节时要有耐心，不宜太快，以得到较高的精确度。 4、要爱护器材，这种器材一旦有所损坏会导致灵敏度迅速降低甚至得不到结果。 5、实验数据、实验数据处理、计算结果和估算不确定度等 根据实验测量得实验数据如下： 1.估测永久磁铁中心最均匀处磁场及其不确定度的实验数据 序号 的频率 谷点的频率 峰点的频率 （T） 1 25.072 25.079 25.062 0.000020 2 25.072 25.081 25.064 0.000020 3 25.074 25.079 25.061 0.000021 平均值 25.073 25.080 25.062 0.000020 数据处理： 中间最均匀磁场的估计值为： =0.58886T 扫场幅度为： =0.00021T 测量的不确定度为： =0.00002T 故计算结果如下： 2.测量的值所得的实验数据 序号 氟的频率 谷点的频率 峰点的频率 (T) (MHz) 1 23.587 23.594 23.581 0.000016 0.00065 2 23.586 23.597 23.583 0.000017 0.00070 3 23.584 23.595 23.580 0.000019 0.00075 平均值 23.586 23.595 23.581 0.000017 0.00070 由以上数据得估计值为： =40.054MHz/T 不确定度为： =0.002MHz/T 所以所得结果为： 实验册附录中给的值为40.055MHz/T,测量所得结果与之相符。 6、分析实验结果和不确定度的来源及谈谈心得和改进方法 分析实验结果和不确定度