1、- 1 -实验五 核磁共振观测目的：1、初步了解核磁共振的原理及是实验装置；2、初步学会利用扫频法观察氢核的核磁共振现象；3、加深对核自旋的认识仪器：CNMR1 核磁共振仪原理： 1、核磁共振：指在外磁场作用下氢原子核系统中磁能级之间发生共振跃迁的现象。具体的说，就是原子核的自旋磁矩 在外恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场发生拉莫尔进Iu动，若此时在垂直于外磁场的平面上施加一交变电磁场，当此交变射频场频率等于核磁矩绕恒定外磁场进行拉莫尔进动的频率时，发生谐振的现象；其表现是核磁共振吸收能量。如图所示：2、核磁共振的作用：原子核可以看成自然界安排在物质内部的微小探针。只要很小的射频量子能量（ ）就可
2、以探测到物质微观结构的信息，由于原子核成对相互作用对局部eV410环境很敏感，核磁共振信号可提供丰富的物资结构信息，诸如谱线宽度、形状、面积、谱线在频率或磁场方向上准确位置，精细结构等，对确定物质分子结构、组成和性质等研究有重要价值。3、核磁共振吸收：A： 旋磁比：对于质子数和中子数两者或其一为奇数的原子核有核自旋，其磁矩 u 与核自旋角动量 J 成正比。可写成：01uI即旋磁比，其值可正可负，由核的本性决定。B： g 因子，是一个无量纲因子，实验上常用以代替 ，其间关系为：（）)1(2)(1jslj- 2 -其中 为核自旋量子数，1121 IguIhmegIJu npI 02 I玻尔核磁矩，
3、 电子电荷， 质子质量。 nc：外磁场作用：当核自旋系统处在恒定磁场 中时，由于核自旋和磁场 的互相作用，ZBZB核能级发生塞曼能级分裂。对于氢核 的简单核系统，核能级分裂成上、下两个能级21I和 ，上、下两能级上的自旋粒子数分别为 和 ，热平衡时自旋粒子随能量增加按2E1 2N1指数规律下降，有 。同时塞曼分裂上、下两能级间能量差与 g 和 成比。分裂能21N ZB级如图：其中分裂能级间能量差为 zNBMguE12 03拉莫尔运动磁力矩为 04zIL拉莫尔进动频率 52ZpZmegD：射频场：在垂直于 方向上加一个频率为 ( Hz)的射频磁场ZB6109（ ),当射频场的量子能量 与塞曼分裂
4、 正好相等时，即满足：tB2cos11 hE06hguEZn此时发生能级间核自旋粒子由 到 的受激吸收跃迁和由 到 的受激发射跃迁，这两1E2 21种发生方向相反的跃迁几率相等且与 成正比，由于 ，对于核自旋系统，（N 在B1 以上）统计结果是从射频磁场吸收能量产生核磁共振吸收， 为核磁共振条件。1405 064、纵向驰豫和横向驰豫驰豫过程：核自旋系统，通过自旋和晶格之间的相互作用以及自旋与自旋之间相互作用，逐步由非平衡态过渡到平衡态的过程。由于物质间相互作用产生，普遍存在于各种宏观物质中，发生核磁共振的前提是核自旋体系磁能级间粒子数差不为零，而核磁共振本身则是此粒子数 由起始值按n- 3 -
5、指数规律变化，且随时间 增大而变小。由于共振吸收，系统处ptn2ex0 t于非平衡态， 如不计驰豫效应则无法观察到稳定的共振信号。驰豫效应分为纵向和横向的驰豫。纵向驰豫过程主要表现自旋晶格相互作用，是共振核自旋系统与晶体中其他核交换能量，从非平衡态到平衡态所需的时间，用 表示；横向驰豫过程是共振核与邻近核1T自旋自旋的相互作用，从而交换能量的过程，其所需用的时间用 表示。理论和实验已2T表明，驰豫过程使粒子处于某一状态的时间有一定的限制， 减小将使共振吸收谱线宽度增加；另外射频场 越大，粒子受激几率越大，使粒子处于某一能级的寿命减小，同样也1B使共振吸收谱线变宽；总之，驰豫过程中，受激离开平衡
6、态的核系统通过能量交换能再次恢复到平衡态，这样就出现连续不断的共振信号，从而使我们能从示波器上检测到一个稳定的核磁共振吸收信号。理论上 ， 为三峰等间距时的园频率， 为t)(2012扫T1 0二峰合一时的园频率， 为提供电磁铁工作的 50 赫兹交流电， 为三峰等间距时半高宽扫t对应的时间，如图所示：实验原理图：- 4 -实验内容：1、调试并观察 溶液样品中氢核核磁共振吸收时尾波信号，并通过移动样品位置，4CuSO定性考察磁性分布情况；描出氢核共振吸收信号；2、利用尾波信号法估算横向驰豫时间；3、测算 溶液中氢核核磁共振吸收时磁场 大小；（ 、4 ZB58.ng、 ）127058.TJun SJ
7、h3410627.4、用李萨如图形观测共振吸收信号并描图。实验十 磁阻效应- 5 -目的：1、加深对霍尔效应的理解；2、通过对磁阻效应的测量,加深对正常磁电阻现象的理解仪器：MR-1 磁阻效应实验仪概述：磁阻器件由于其灵敏度高，抗干扰能力强等优点，使之在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛。例如：伪钞鉴别、交流车辆检测、导航系统、数学罗盘、位置测量等探测器。磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻、各向异性磁电阻、特大磁电阻、巨磁电阻和隧道磁电阻等，其中以正常磁电阻应用最为普遍。锑化锢（Insb ）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。它可用于制造在磁
8、场微小变化时测量多种物理量的传感器。本实验使用两种材料作为传感测量，以砷化 镓 caAs 测量磁感应强度，同时研究锑化锢在磁感应强度下的电阻，实验中融合了霍尔效应和磁阻效应两种物理现象。具有科学的前瞻性。原理：1、磁阻效应：一定条件下，导电材料的电阻值 R 随磁感应强度 B 变化的现象。2、微观机制：如图 1 所示：在磁场 B 作用下，半导体内截流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生聚集电荷并产生霍尔电场。如霍尔电场作用和某速度的载流子的洛 图 1仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数目将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。如果将 A
9、、B 端短接，则霍尔电场将不存在，所有电子将向 A 端偏转，呈现磁阻效应。3、理论规律：A：通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻变化。磁阻变化率 ，电阻0率 ， 为 为零时电阻， 为 为零时的磁阻。B：理论和实验均已证明了磁场0R0较弱时，一般磁阻器件的 正比于 的二次方，而强磁场中 则为 的一次函数。R0RBC：当半导体材料处于弱交流磁场中时， 正比于 的二次方， 也随时间周期性变化。0RB设电流恒定为 ，令 ， ,其中 为常数。于是有：0ItCOSB02KRRB- 6 -tKBRRtKBR 2cos021021cos02 tIKBIIV0000 由t2cos上式可以看出磁阻上的分压由直流电压与 B 的 2 倍振荡频率交流电压叠加4、原理接线如图 2：实验内容：1、测量励磁电流和磁感应强度关系2、测量磁感应强度和磁阻元件电阻大小的时应关系3、作图研究磁感应强度与磁电阻变化关系曲线实验步骤：1、按图 2连接好电路2、当双刀 图 2双掷开关 K1 、K2 向上闭合时测量 ；双刀双掷1IU开关 K1 、K2 向下闭合时测量 ; 3、实验时先2I测 。并保持 U2 为 800mv 左右，且将锑化锢（Insb) 2、4 短接，使锑化锢处于短路状态。1、实验数据填入下表- 7 -CaAsInSb0RBmAIMVU1mI1VU2mA2TB
