实验报告微波顺磁共振及核磁共振

1、精品文档你我共享 微波顺磁共振及核磁共振实验 实验报告 摘要 顺磁共振，称电子自旋共振，指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩， 在射频或微波 电磁场作用下磁能级之间的共振跃迁现象。电子自旋共振方法在高频率波段上能 获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析而不破坏样品结 构，且对化学反应无干扰。 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。 它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场 和稳定磁场的重要方法之一。 关键词 核磁共振 顺磁共振 电子自旋 自旋g因子 引言 EPR 顺磁共振(EPR 又称为电子自旋共振 (electron

2、paramagnanetic resonance ， EPR),首先由苏联物理学家E . K.扎沃伊斯基于1944年从Mn CI2、CuCI2等顺 磁性盐类发现的。由于电子的磁矩比核磁矩大得多， 在同样的磁场下，电子顺磁 共振的灵敏度也比核磁共振高得多。本实验中，学生将会观察在微波段的 现象，测量DPPH自由基中电子的g因子。了解核磁共振的基本原理；学习利用 核磁共振校准磁场和测量g因子或核磁矩卩的方法；在微波和射频范围内都能观 察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低， 1966年发展起来的脉冲 傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集

3、由频域变为时域，从而大大提高了检测灵 敏度，特点：共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态； 共振峰的强弱决 定于该组态在合金中所占的比例；谱线的分辨率极高。 正文 1微波顺磁共振 原理 1 由原子物理可知，自旋量子数s=3的自由电子其自旋角动量Js(s+1)純 h 花=，h=6.62X10-34 J怡，称为普朗克常数，因为电子带电荷，所以自旋电子还具有平 2花 行于角动量的磁矩 巴，当它在磁场中由于受磁感应强度B。的作用，则电子的单个能级将分 裂成2S+1 (即两个)子能级，称作塞曼能级，如图7-4-1所示，两相邻子能级间的能级差为 KEMgBBo(1) 式中卩=e =9 2741 X1O焦耳

4、/持斯拉，称为玻尔磁子，g为电子的朗德因子，是一个无量纲 厂呃. 1 的量，其数值与粒子的种类有关，如s = 2的自由电子g=2.0023。从图7-4-1可以看出，这两 个子能级之间的分裂将随着磁感应强度B0的增加而线性地增加。自由电子在直流静磁场B0 中，不仅作自旋运动，而且将绕磁感应强度Bo进动,其进动频率为V,如果在直流磁场区迭加一 个垂直于Bo频率为V的微波磁场Bi ,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差E AAAAAA 时,则处在低能级上的电子有少量将从微波磁场 能量为 B吸收能量而跃进到高能级上去。 因而吸收 E = gBo = hv 即发生EPR现象,式（2）称为 EPR条

5、件。式 （2） 2）也可写成 （3） 将g、 式 V =2.8O24B0 c1010Hz。 此处B。的单位为T（特斯 拉）。如果微波的波长 V 丸10000 振时相应的 、 h值代入上 可得 3cm, 即 MHz，则共 Bo要求在0. 3T以上。 在静磁场中，当处于 热平衡时，这两个能级上 的电子数将服从玻尔兹 曼分布，即高能级上的电 子数n2与低能级上的电子数 ni之比为 =exp（- kT） = exp （ gTB0）（ 4） n1kTkT 一般gBB。比kT小三个数量级，即gBB。 kT，所以上式可展开为 ngApBohv 2 Sz1 s：1 - n1kTkT 式中k=1.3807x 1

6、0 2焦耳/开，为玻尔兹曼常数，在室温下 T=300K，如微波的 时，则 匹=0.9984。可以看出，实际上只有很小一部分电子吸收能量而跃迁 ni 共振吸收信号是十分微弱的。 设n + = n1 +门2为总电子数，则容易求得热平衡时二子能级间的电子数差值为 hv - n+ 2KT V 俺 1010Hz ,故电子自旋 n_= 口 一门2 =n- -2kT 由于EPR信号的强度正比于 n_，因比在 频率越高，对观察E P R信号越有利。 步骤 1. 连接系统，将可变衰减器顺时针旋至最大 2. 将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置 调到最低，按下“调平衡/Y轴”按钮（注： 状态。（注：切勿同时按下

7、）。 3. 将样品位置刻度尺置于 90mm处，样品置于磁场正中央。 4. 将单螺调配器的探针逆时针旋至“0刻度。 5. 信号源工作于等幅工作状态，调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后调节“检波灵敏度” 旋钮，使磁共振实验仪的调谐电表指示占满度的2/3以上。 6. 用波长表测定微波信号的频率 ，方法是：旋转波长表的测微头，找到电表跌破点，查波长 (6) n+定时，式说明温度越低和磁场越强，或微波 ,开启系统中各仪器的电源，预热20分钟。 :磁场”逆时针调到最低，扫场” 逆时针 必须按下），“扫场/检波”按钮弹起，处于检波 表一一刻度表即可确定振荡频率，使振荡频率在9370MHz左右，如相差较大，

8、应调节信号源 的振荡频率，使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后 ，将波长表旋开谐振点。 7. 调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小，样品谐振腔对微波信号谐振。 8. 为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然 后，调节魔T另一支臂单螺调配器探针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表指示太小， 可调节灵敏度，使指示增大。 9. 按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流的相对指示，调节“扫场”旋钮使电 表指示在满度的一半左右。 10. 由小到大调节恒磁场电流，当电流达到1.7到2.1A之间时，示波器上即可出现如图 7-4-6 所示的电子共振

9、信号. 11. 12. 置, 13. 14. 图 7-4-6 若共振波形值较小，或示波器图形显示欠佳，可采用以下方法： 将可变衰器反时针旋转，减小衰减量，增大微波功率。 正时针调节“扫场”旋钮，加大扫场电流。 提高示波器的灵敏度。 调节微波信号源震荡腔法兰盘上的调节钉，可加大微波输出功率。 (1) (2) (3) (4) 若共振波形左右不对称，调节单螺调配器的深度及左右位置，或改变样品在磁场中的位 通过微调样品谐振腔可是共振波形成为图5(a)所示的波形。 若出现图5 (b)的双峰波形，调节“调相”旋钮即可使双峰波形重合。 用高斯计测得外磁场 B。，用公式 计算g因子(g因子一般在1.95到2.

10、05之间). f 2核磁共振 原理 自旋角动量P不等于零的原子核都具有自旋磁矩卩，核磁矩卩在静磁场Bo作用下，将 以一定夹角a和角频率3 0围绕Bo作进动。由(2)可知，核磁矩的绝对值为 円=g N N Ji （I中1）原子核的角动量P与磁矩卩之间关系用一个叫磁旋比丫的物理量连系 起来： A 7 = P gN Ji(i +1) h-Ji(i +1厂 =gf N -h- 巴Pz =ghm=grANm 原子核磁矩的投影为：h-，投影的最大值即为通常所说的核 磁矩卩=gNI。 如果有一射频场（B）其工作频率为U ,以与B0垂直的方向作用于核，且其频率满足共 振条件：叩=心0/2兀（11） 则将发生核

11、磁矩对射频能量的共振吸收，该核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁， (12) 发生核磁共振，此时也E oh = grzhBo (13) 0 =伯0 h为普朗克常数。h =6.624 X 10-27尔格秒。 a 图1观察核磁共振信号原理图 当发生核磁共振（NMR时，原子核系统对射频 （f）场产生能量吸收，为了观察到磁共 振现象，必须把吸收的能量转化为可以观察到的电信号。 检测核磁共振现象的基本原理如图 1所示。 把样品放在与静磁场垂直的射频线圈L1中，线圈L1与可调电容C3构成振荡检波器的振 荡回路，振荡检波器产生射频场Bl，改变电容 G可使射频场B的频率发生变化，当其频率 满足共振条件= 0

12、/2兀时，样品中的原子核系统就吸收线圈中的射频场能量，使振荡器 回路的Q值下降，导致振荡幅度下降， 振荡幅度的变化由检波器检出，并经放大送到示波器 的y轴显示。为了不断满足共振条件， 必须使静磁场在一定范围内不断往返变化（称之为扫 场），使磁场在共振点附近周期地往返变化，不断满足共振条件，扫场信号源和扫场线圈就 是对静磁场进行扫场用的，同时又把扫场信号输入到示波器的X轴（即外同步端），使示波 器的扫描与磁场扫场同步，以保证示波器上观察到稳定的共振信号。振荡器工作应在接近临 界状态，通过调节“工作电流”旋钮，使振荡器处于边限振荡状态，以提高核磁共振信号的 检测灵敏度，并避免信号的饱和。 扫场信号采用50赫兹交流信号，通过扫场线圈，在静磁场B0上叠加一个小的 50赫不 变磁场，实现扫场作用。 观察仪器，连接线路 用特斯拉计测量磁场的强度，单位为 计算氢核共振频率 将CUS04样品放入振荡线圈，调节样品在磁场中位于最佳位置，在 步骤 1. 2. 3. V附近，调节 4. 共振频率 5. 6. c d 7. 调整样品位置，重复 4实验测量3次以上，平均值 改变下述实验条件，观察信号变化，并做好记录 改变射频场 B1的强度，观察吸收信号幅值的变化 改变扫场电压的大小，观察吸收信号有何不同 改变样品在磁极间的位置，观察磁场B2的均匀度对吸收信号波