实验7-1 核磁共振实验

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2024年6月29日发(作者：)

实验7-1 核磁共振

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）于1946年由美国的两位科学家布洛赫

（Bloch，用感应法发现液态水的核磁共振现象）和伯塞尔（Purcell，用吸收法观测到石蜡

中质子的核磁共振）分别发现，为此，他们分享了1952年诺贝尔物理学奖。

早期的核磁共振主要采用连续波技术，灵敏度较低，研究的对象是自然丰度高、旋磁比

较大的原子核，如

1

H、

19

F等，这就限制了核磁共振的应用范围。1966年发展起来的脉冲傅

里叶变换核磁共振技术，使信号采集由频域变为时域，大大提高了检测灵敏度，使研究低自

然丰度的核成为现实，同时，这种方法还可以利用不同的脉冲组合来得到所需要的分子信息。

1971年，琴纳（Jeener）提出了具有两个独立时间变量的二维核磁共振概念，随后，1974

年恩斯特（Ernst）等首次成功地实现了二维核磁共振实验，从此核磁共振技术进入一个新

时代。琴纳获得了1991年的诺贝尔化学奖。

核磁共振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，是物理学、化学、

生物学研究中一种重要、强大的实验手段，也是其它应用学科的重要研究工具。例如，今天

广泛使用的核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术，其始于20世纪60年

代末，并于20世纪80年代形成实用产品，投入临床应用。它不同于传统的X线CT，对人

体无放射性损害。其利用人体中的H质子在强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振

现象，经过空间编码技术，把以电磁形式放出的核磁共振信号接收转换，通过计算机最后形

成图像，以做诊断。由于它分辨率高、对比度好、信息量大，特别对软组织层次显示的好，

所以它一出现就受到影像诊断工作者和临床医生的欢迎，目前已成为对一些疾病的诊断必不

可少的检查手段。2003年，美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德，因在核磁共振

成像领域的关键性发现，获得了诺贝尔生理学或医学奖。

研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场（即旋转磁

场B

1

）作用到原子核系统上，观察到原子核系统对频率的响应信号；另一种是脉冲法，用

射频脉冲作用在原子核系统上，观察到原子核系统对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏

度和测量速度，但需要进行快速博里叶变换，技术要求较高。

核磁共振信号分色散信号和吸收信号。但一般观察吸收信号，因为比较容易分析理解。

从信号的检测来看，又包括感应法、电桥法和自差法。如果测量的是核磁矩吸收射频场（旋

转磁场）能量而在附近线圈中产生的感应信号，称为感应法，也称为交叉线圈法或布洛赫法；

如果是测量由于共振使电桥失去平衡而输出的电压即为电桥法，也称平衡法；直接测量由于

共振使射频振荡线圈中负载发生变化的方法为自差法，也称为负载法或边限振荡器法。这三

种方法各有优缺点，在实验设计时必须充分考虑。

本实验是用连续波，通过扫场调节，并由自差法检测来研究核磁共振吸收现象的。

【实验目的】

1、掌握核磁共振的基本原理和实验方法。

2、分析各种因素对核磁共振现象的影响。

3、观察几种物质的核磁共振现象，学习测量核磁共振的方法。

【实验原理】

1、核磁共振基础

原子核具有自旋，其自旋角动量为

p

I

I



I1





（7-1-1）

1

其中I是核自旋量子数，值为半整数或整数。当质子数和质量数均为偶数时，I＝0；当质量

数为偶数而质子数为奇数时，I＝0，1，2，…；当质量数为奇数时，I=n/2，n=1，3，5，…。

原子核带有电荷，因而具有自旋磁矩，其大小为



I

g

e

2m

N

p

I

g



N

I



I1



（7-1-2）

其中：m

N

为原子核质量；g为核的朗德因子，对质子而言，g=5.586；



N



e



2m

N

5.050910

27

Am

，称为核磁子。设





2

e

2m

N

g

为核的旋磁比，则



I





p

I

（7-1-3）

核自旋磁矩在恒定外场B

0

的作用下，会发生进动，进动角频率ω

0

为



0





B

0

（7-1-4）

由于原子核的自旋角动量

p

I

的空间取向是量子化的，若设B

0

沿z轴方向，则

p

I

在z

方向上只能取

p

Iz



m

（

mI,I1,,I1,I

）





p

Iz

，所以核磁矩与外磁其中m为原子核的磁量子数，有2I+1种可能取值。考虑到



I

场B

0

的相互作用能为

z



E



I

B

0





Iz

B

0







mB

0

（7-1-5）



原来的一个能级分裂为2I+1个次能级（塞曼分裂），相邻次能级间的能量差为

E



0





B

0

g



N

B

0

（7-1-6）

显然，在稳恒的外磁场B

0

作用下，如果存在一个与B

0

和总的核磁矩组成的平面相垂直

的旋转磁场B

1

，当B

1

的角频率等于ω

0

时，原子核将吸收此旋转磁场的能量，实现能级间

的跃迁，即发生核磁共振（相关理论参阅本章概述）。

2、稳态时的核磁共振

产生核磁共振信号的具体方式有两种：一是固定B

0

，让B

1

的角频率ω连续变化而通过

共振区，当







0





B

0

时，则出现共振信号，此为扫频法；若使B

1

的角频率不变，让

B

0

连续变化而扫过共振区，使得



B

0





0

，出现共振信号，则为扫场法。由于技术上的原

因，大多数的核磁共振谱仪都采用扫场方式。

为了提高信噪比，并获得稳定的共振信号，一般要在稳恒磁场B

0

上加一个交变低频调

~

制磁场（扫描磁场）

BB

m

sin



m

t

。调制磁场由线圈提供，称为扫场线圈，线圈中的电

流可以连续改变，从而引起调制磁场幅度的连续变化。这样，测试样品所在的实际磁场为

~~

BB

0

B

，如图7-1-1（a）。这个周期变化的磁场将引起相应的进动角频率



0





B

0

B



2

本文标签： 信号原子核研究