预习报告微波顺磁共振及核磁共振

微波顺磁共振及核磁共振实验预习报告摘要顺磁共振，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因子引言顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（electronparamagnaneticresonance ，EPR），首先由苏联物理学家E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2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EPR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μ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，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，特点：①共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态；②共振峰的强弱决定于该组态在合金中所占的比例；③谱线的分辨率极高。正文1.微波顺磁共振原理由原子物理可知，自旋量子数s1s(s1)的自由电子其自旋角动量2,h=6.6210-34Js，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行于角动量的磁矩e，当它在磁场中由于受磁感应强度B0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EgBB0(1)式中e1024焦耳/持斯拉,称为玻尔磁子，g为电子的朗德因子,是一个无量纲9.27412me的量,其数值与粒子的种类有关，如s1的自由电子g=2.0023。从图7-4-1可以看出,这两2B0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中,不仅作自旋运动,而且将绕磁感应强度B0进动,其进动频率为v,如果在直流磁场区迭加一个垂直于B0频率为v的微波磁场B1,当微波能量子的能量等于两个子能级间的能量差E时,则处在低能级上的电子有少量将从微波磁场B1吸收能量而跃进到高能级上去。因而吸收能量为EgBB0hv（2）即发生EPR现象,式（2）称为EPR条件。式（2）也可写成gBB0h3）将g、B、h值代入上式可得v2.8024B01010Hz。此处B0的单位为T(特斯拉)。如果微波的波长3cm, 即10000MHZ,则共振时相应的 B0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

图7-4-1电子自旋共振能级分裂示意图n1之比为n2exp(E)exp(gBB0)（4）n1kTkT一般gBB0比kT小三个数量级,即gBB0<<kT,所以上式可展开为n1gB01hv（5）2n1kTkT1010Hz式中k=1.3807x1023焦耳/开,为玻尔兹曼常数,在室温下T=300K,如微波的时,则n20.9984。可以看出,实际上只有很小一部分电子吸收能量而跃迁,故电子自旋n1共振吸收信号是十分微弱的。设nn1n2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nn1n2gBB0nhvn（6）2kT2KT由于EPR信号的强度正比于n,因比在n一定时,式(6)说明温度越低和磁场越强,或微波频率越高,对观察EPR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,开启系统中各仪器的电源,预热20分钟。2.将磁共振实验仪器的旋钮和按钮作如下设置:“磁场”逆时针调到最低,“扫场”逆时针调到最低，按下“调平衡/Y轴”按钮（注：必须按下），“扫场/检波”按钮弹起，处于检波状态。（注：切勿同时按下）。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， 查波长表——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,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.为使样品谐振腔对微波信号谐振， 调节样品谐振腔的可调终端活塞， 使调谐电表指示最小，此时，样品谐振腔中的驻波分布如图 7-4-5所示。图7-4-5样品谐振腔中的驻波分布示意图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所示的电子共振信号.图7-4-611.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：1）将可变衰器反时针旋转,减小衰减量，增大微波功率。2）正时针调节“扫场”旋钮,加大扫场电流。3）提高示波器的灵敏度。4）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。12.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置，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。13.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。14.用高斯计测得外磁场B0，用公式(2)计算g因子（g因子一般在1.95到2.05之间）.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μ，核磁矩μ在静磁场B0作用下，将以一定夹角α和角频率ω0围绕B0作进动。由（2）可知，核磁矩的绝对值为 gN N I(I 1)原子核的角动量P与磁矩μ之间关系用一个叫磁旋比B0上叠加一个小γ的物理量连系起来：grNI(I1)grNPhI(I1)h原子核磁矩的投影为：ZPZgrNhmgrNmh，投影的最大值即为通常所说的核磁矩grNI。如果有一射频场（B1）其工作频率为υ，以与B0垂直的方向作用于核，且其频率满足共振条件：B0/2（11）则将发生核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，即发生核磁共振，此时E0hgrNhB0（12）0B0（13）为普朗克常数。h=6.624×10-27尔格·秒。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131B，改变电容C可使射频场B的频率发生变化，当其频率满足共振条件B0/2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，在静磁场的50赫不变磁场，实现扫场作用。实验内容和步骤：样品及振荡线圈永磁体及扫场线圈主机示波器频率调节工作电流Y轴输入X轴外接电压输入Rf输出NMR输出电源输出电源数字频率计扫场调节 X轴偏转调轴偏转输出扫场电源输出 图2 核磁共振实验连线图一、熟悉仪器，动手操作。二、分别以重水和聚四氟乙烯棒为样品，分别观察氘核（219H）与F的磁共振现像，测定它们的旋磁比、g因子和核磁矩。三、数据处理。出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。

“能”，是以众议举宠为督：亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也 。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十