实验五 核磁共振
1924年，泡利（W·Pauli）在研究某些光谱的精细结构时，提出了原子核具有自旋角动量和磁矩。当时由于受光学仪器分辨本领的限制，妨碍了对核磁矩的精确测量。1946年，珀塞尔（Ｅ·Ｍ·Purcell）和布洛赫（F·Bloch）分别应用共振吸收法和核感应法实现了核磁共振，从而大大地提高了核磁矩的测量精度。因而珀塞尔和布洛赫获得了1952年度的诺贝尔物理学奖。
核磁共振已在众多的领域中有了十分广泛的应用。早期，核磁共振主要是用于对和结构和性质的研究，如测量和磁矩、电四极矩及核自旋等，后来则广泛用于分子（如有机分子、生物大分子等）组成和结构的分析、生物组织与活体组织的分析、病理分析、医疗诊断、产品无损检测等方面，并可用来观测一些动态过程（如化学反应、生化过程等）的变化。从技术手段上来说，核磁共振的应用主要由两方面，即核磁共振波谱的应用以及近年发展起来的核磁共振成象的应用。
【预习提要】
核磁共振是指具有磁矩的原子核，在外磁场作用下，对射频电磁场能量的共振吸收现象。应注意理解实现核磁共振和检测核磁共振信号的基本物理思想。在此基础上搞清楚用示波器观察核磁共振信号和测量核磁矩（包括磁场强度测量）的方法。关于调制磁场部分，可结合图5-2和图5-3进行分析，要求初步弄清楚为什么要加调制磁场？并知道实验过程中如何使用调制磁场。通过本实验主要了解核磁共振现象及其原理，掌握实现核磁共振的物理思想过程和实验方法（稳态）；学会应用核磁共振精确测定核磁矩和磁场强度的实验方法。
图5-1
【实验原理】
核磁共振的基本原理见附录D
【实验装置】
核磁共振从实验方法上可分为连续波（稳态）和脉冲波（暂态）两大类。检测方法，有吸收法、感应法和电桥法。我们这里仅就连续波吸收法加以介绍。其实验装置如图5-1所示。永久磁铁产生均匀的稳恒磁场
，磁场强度可以调节。磁极上装有调制线圈，提供一个弱的调制磁场
，进行扫场，其扫场大小可以调节。核磁共振探头提供射频场
，且频率可调。样品放在处于磁场中的探头谐振线圈内，线圈轴线与磁场方向垂直，通过对探头工作状态的调节可获得最佳灵敏度，由探头检测出的共振吸收信号，通过示波器显示出来，探头的振荡频率由频率计测出。下面我们重点分析一下调制线圈和核磁共振探头的作用。
一、调制线圈
观察核磁共振吸收信号有两种方法：一种是磁场固定，让射频场的频率连续变化通过共振区域，当满足
时，出现共振吸收现象，叫做扫频法；另一种是把射频场频率固定，而让磁场Ｂ。连续变化通过共振区域，实现共振吸收。称为扫场法。本实验是采用扫场的方法。
调制线圈的作用，就是用来产生一个弱的低频交变磁场迭加到稳恒磁场上去，达到扫场的目的，这样有利于寻找和观察核磁共振吸收信号。其作用原理如下：
从原理公式
可以看出，每一个磁场值只能对应一个射频频率发生共振吸收。而要在十几兆赫的频率范围内找到这个频率是很困难的，为了便于观察共振吸收信号，通常在稳恒磁场方向上迭加上一个弱的低频交变磁场，如图5-2所示（上图为和迭加后随时间变化的情况，下图是射频场振荡电压幅值随时间变化的情况。图中的
为某一射频频率对应的共振磁场）。那么此时样品所在处的实际磁场为
，由于调制磁场的幅值不大，磁场的方向仍保持不变，只是磁场的幅值随调制磁场周期性地变化，核磁矩的拉莫尔旋进角频率
也相应地在一定范围内发生周期性的变化，即
。
这时只要将射频场的角频率
调节到
的变化范围之内，同时调制场的峰——峰值大于共振场范围，便能用示波器观察到共振吸收信号。因为只有与相应的共振吸收磁场范围被（）扫过的期间才能发生核磁共振，可观察到共振吸收信号，其他时刻不满足共振条件，没有共振吸收信号。磁场变化曲线在一周期内与在两处相交，所以在一周期内能观察到两个共振吸收信号。若在示波器上出现间隔不相等的共振吸收信号，如图5-3（a）所示，这是因为对应射频场频率发生共振磁场风的值不等于稳恒磁场的值。这时如果改变稳恒磁场的大小或变化射频场的频率，都能使共振吸收信号的相对位置发生变化，出现“相对走动”的现象。当出现间隔相等的共振吸收信号时，如图5-3 (b)所示，则其相对位置与调制磁场的幅值无关，并随幅值的减小，信号变低变宽，如图5-3(c)所示，此时即表明与相等，满足共振条件
。
图
图5-2
图5-3
二、核磁共振探头
核磁共振探头采用电容反馈式LC振荡的鲁宾逊电路，调节可变电容器，振荡频率可在13~18MHZ范围内变化。核磁共振探头产生线性振动的射磁场，从理论分析可以看出，一个线性振动的磁场相当于两个大小相等、旋转方向相反的旋转磁场的迭加，如图