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核磁共振实验预习提示 为顺利完成核磁共振实验，请在本实验课之前认真阅读实验讲义以及相关的教材，能够清晰并准确回答以下问题： 什么是核磁矩？原子核的磁矩是如何产生的？ 什么是塞曼效应？所有的原子核在磁场中都能发生塞曼分裂吗？ 产生核磁共振的必要条件有哪些？所有的原子核都能够产生核磁共振现象吗？ 实验中产生核磁共振信号的调节方法有哪些？ 核磁共振 1924年,泡利研究了某些元素的光谱的超精细结构后，揭示了核自旋与核磁矩的概念，可是受到光学仪器的限制，未能对核磁矩做精细的测量。1939年，拉笔等利用分子束实验方法采取射频技术，首次观察到核磁共振现象，大大提高了核磁矩测量的精确度。遗憾的是分子束方法有较大的局限性，装置也过于复杂，不利于推广应用。1945年底和1946年初，分别由玻赛尔小组和布洛赫小组，在凝聚态物质中观察到核磁共振现象。此后，核磁共振波谱学迅速发展，利用核磁共振现象不仅可以证实原子核磁矩的存在，验证共振频率与磁场之间的关系，而且可以进一步推导并精确测量原子核的g因子、磁旋比γ及核磁矩μ。它也可以作为一种精确测量磁场的方法。目前已成为物理、化学、生物、医学以及工业生产部门研究中一项重要的实验技术。 一 实验目的 掌握核磁共振实验现象及其原理； 学会产生核磁共振现象的实验方法； 3. 掌握利用核磁共振现象测量匀强磁场以及原子核的g.γ.的实验方法。 二 实验原理 核磁共振（简称NMR）是自旋磁矩不为零的原子核在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一固定频率辐射能量的物理过程。 下面我们以氢核为主要研究对象，以此来介绍核磁共振的基本原理和观测方法。氢核虽然是最简单的原子核，但同时也是目前在核磁共振应用中最常见和最有用的核。 1、核磁共振的量子力学描述 （1）单个核的磁共振 通常，将原子核的总磁矩在其角动量方向上的投影称为核磁矩，它们之间的关系通常写成 或 （1－1） 式中称为旋磁比；为电子电荷；为质子质量；为氢核的朗德因子。 按照量子力学，原子核角动量的大小由下式决定： （1－2） 式中，为普朗克常数；为核的自旋量子数，可以取 把氢核放入外磁场中，可以取坐标轴方向为的方向。核的角动量在方向上的投影值由下式决定 （1－3） 式中称为磁量子数，可以取。核磁矩在方向上的投影值为 将它写为 （1－4） 式中，称为核磁子，是核磁矩的单位。 磁矩为的原子核在恒定磁场中具有的势能为 任何两个能级之间的能量差为 （1－5） 考虑最简单的情况，对氢核而言，自旋量子数，所以磁量子数只能取两个值，即和。磁矩在外场方向上的投影也只能取两个值，如图1-1所示，与此相对应的能级如图1-1所示。 根据量子力学中的选择定则，只有的两个能级之间才能发生跃迁，这两个跃迁能级之间的能量差为 （1－6） 由这个公式可知：相邻两个能级之间的能量差与外磁场的大小成正比，磁场越强，则两个能级分裂也越大。 如果实验时外磁场为，在该稳恒磁场区域又叠加一个电磁波作用于氢核，如果电磁波的能量恰好等于这时氢核两能级的能量差，即 （1－7） 则氢核就会吸收电磁波的能量，由的能级跃迁到的能级，这就是核磁共振吸收现象。式（1－7）就是核磁共振条件。为了应用上的方便，常写成 ，即 （1－8） （2）核磁共振信号的强度 上面讨论的是单个核放在外磁场中的核磁共振理论。但实验中所用的样品是大量同类核的集合。如果处于高能级上的核数目与处于低能级上的核数目没有差别，则在电磁波的激发下，上下能级上的核都要发生跃迁，并且跃迁几率是相等的，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。只有当低能级上的原子核数目大于高能级上的核数目，吸收能量比辐射能量多，这样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的相对分布由玻尔兹曼因子决定： （1－9） 式中为低能级上的核数目，为高能级上的核数目，为上下能级间的能量差，为玻尔兹曼常数，为绝对温度。当时，上式可以近似写成 （1－10） 上式说明，低能级上的核数目比高能级上的核数目略微多一点。对氢核来说，如果实验温度，外磁场，则 或 这说明，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出7个。这就是说，在低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个