物理实验教程 —近代物理实验 调节 (2)某一F-P标准具的平面间隔d=5mm,该F-P标准具的自由光谱范围是多大？ F-P标准具的自由光谱范围及546.1nm谱线在磁场中的分裂情况对磁感应强度B有何 要求？若磁感应强度B达到0.62T,则分裂谐线中哪几条将会发生重叠？部分条纹重叠 对测量结果有无影响？ (3)F-P标准具与牛顿环装置、迈克尔逊干涉仪在工作原理和干涉图样上有何区别？ (4)试结合实验结果分析测量电子荷质比的主要影响因素。 【参考文献】 [1]杨福家.原子物理学[M们.北京：高等教育出版社，2008 [2]姚启钧.光学教程[M门.北京：高等教有出版社，2008. [3]李志超，轩植华，霍剑青，大学物理实验（第三册）[M.北京：高等教育出版 社，2001. 「4门截乐山，戴道言.近代物理实脸「M门.北京.高等教有出版杜.2006 [5]吴思诚，王祖铨.近代物理实验[M们.北京：高等教育出版社，2005， 实验3-2核磁共振 核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)是指具有磁矩的原子核 在磁场中因吸收电磁辐射而引起的共振跃迁现象。从1946年布洛赫(F. Bloch)和珀塞尔(E.M.Purcell)发现核磁共振现象到2022年，已经有17 位不同领域的科学家因对核磁共振技术的发展和应用做出重大贡献而获 百 视频23 得了诺贝尔奖。这在诺贝尔奖历中卜是罕见的，也说明了核磁共振技术在 科学研究和实际应用中的重要性。核磁共振技术是在测定原子的核磁矩 和研究核结构方面既直接又准确的方法，并且具有探测物质内部而不破坏样品的优点，因 此已成为物理学、化学、生物学等许多学科中研究物质成分、结构和动态过程变化的重要 实验方法和技术工具。核磁共振技术已经应用到科学检测的各个方面，在石油、化工、建 材、治金、地质、环保、纺织、食品、医药、国防等领域中得到了广泛应用，在科研和生产中发 挥了巨大作用。 核磁共振技术的基本方法有两种：连续波法和脉冲波法。连续波法是用连续的弱射 颜场作用在原子核系统上，观测原子核系统对频率的响应信号，得到的是频率谱：脉冲波 法是用脉冲的强射频场作用在原子核系统上，观测原子核系统对时间的响应信号，得到的 是时间谱，经傅里叶变换后可转变为频率谱。因此，在核磁共振实验内容中安排了两个系 列实验项目，分别为连续波核藏共振(continuous wave NMR)和脉冲波核蓝共振(pulsed wave nor)。酒过这两个实验碩目的学习，堂据核磁共振的基本原理以及测量和分析核 磁共振信号的基本方法与技术，理解核磁共振技术的一些重要应用：了解核磁共振技术发 154
— １５４ — 调节? (２)某一 FＧP标准具的平面间隔d＝５mm,该 FＧP标准具的自由光谱范围是多大? FＧP标准具的自由光谱范围及５４６１nm 谱线在磁场中的分裂情况对磁感应强度B 有何 要求? 若磁感应强度B 达到０６２T,则分裂谱线中哪几条将会发生重叠? 部分条纹重叠 对测量结果有无影响? (３)FＧP标准具与牛顿环装置、迈克尔逊干涉仪在工作原理和干涉图样上有何区别? (４)试结合实验结果分析测量电子荷质比的主要影响因素. 【参考文献】 [１] 杨福家．原子物理学[M]．北京:高等教育出版社,２００８． [２] 姚启钧．光学教程[M]．北京:高等教育出版社,２００８． [３] 李志超,轩植华,霍剑青．大学物理实验(第三册)[M]．北京:高等教育出版 社,２００１． [４] 戴乐山,戴道宣．近代物理实验[M]．北京:高等教育出版社,２００６． [５] 吴思诚,王祖铨．近代物理实验[M]．北京:高等教育出版社,２００５． 实验３Ｇ２ 核磁共振 核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)是指具有磁矩的原子核 在磁场中因吸收电磁辐射而引起的共振跃迁现象.从１９４６年布洛赫(F． Bloch)和珀塞尔(E．M．Purcell)发现核磁共振现象到２０２２年,已经有１７ 位不同领域的科学家因对核磁共振技术的发展和应用做出重大贡献而获 得了诺贝尔奖.这在诺贝尔奖历史上是罕见的,也说明了核磁共振技术在 科学研究和实际应用中的重要性.核磁共振技术是在测定原子的核磁矩 和研究核结构方面既直接又准确的方法,并且具有探测物质内部而不破坏样品的优点,因 此已成为物理学、化学、生物学等许多学科中研究物质成分、结构和动态过程变化的重要 实验方法和技术工具.核磁共振技术已经应用到科学检测的各个方面,在石油、化工、建 材、冶金、地质、环保、纺织、食品、医药、国防等领域中得到了广泛应用,在科研和生产中发 挥了巨大作用. 核磁共振技术的基本方法有两种:连续波法和脉冲波法.连续波法是用连续的弱射 频场作用在原子核系统上,观测原子核系统对频率的响应信号,得到的是频率谱;脉冲波 法是用脉冲的强射频场作用在原子核系统上,观测原子核系统对时间的响应信号,得到的 是时间谱,经傅里叶变换后可转变为频率谱.因此,在核磁共振实验内容中安排了两个系 列实验项目,分别为连续波核磁共振(continuouswaveNMR)和脉冲波核磁共振(pulsedＧ waveNMR).通过这两个实验项目的学习,掌握核磁共振的基本原理以及测量和分析核 磁共振信号的基本方法与技术,理解核磁共振技术的一些重要应用;了解核磁共振技术发
0 磁共振技术实验第3章 现、研究和应用中荣获的一系列诺贝尔奖，培养学生勇于探索、敢于创新的科学精神和科 技报国的使命担当。 实验3-2-1连续波核磁共振 【实验目的】 (1)掌握核磁共振的基本原理和连续波核磁共振的实验方法 (2)观察几种物质的核磁共振现象，学会连续波核磁共振信号的测量方法。 (3)测量几种物质的横向弛豫时间、朗德因子和旋磁比，分析各种因素对核磁共振现 象的影响。 【预习要求】 (1)什么是核磁共振？哪些原子核能发生核磁共振？ (2)连续波核磁共振是如何实现的 (3)扫场的作用是什么？射频场的作用是什么？ (4)核磁共振信号的尾波是怎么产生的？ (⑤)怎样才能观察到H核和F核的核磁共振信号？ (6)甘油的核磁共振信号的精细结构如何？实验上能否观察到甘油的精细结构？ 【实验原理】 一、核磁共振基本原理 1.量子力学观点 原子核的自旋角动量为： p=√TI+1方 (3-2-1) 式中，1为核自旋量子数，值为半整数或整数坊一会当质子数和质量数均为偶数时，1= 0:当质量数为偶数而质子数为奇数时，1=0,1,2，：当质量数为奇数时，1=1/2,3/2， 5/2. 原子核带有电荷，因而具有自旋磁矩，其大小为： =82加力=8I+西 (3-2-2) 式中，m:为原子传质量g为性的阿德因子，对质子而言区-68：=杂=5009X 10”A·m,称为核磁子，其中m,为质子质量。设Y一28为核的旋磁比，则有： u=Y (3-2-3) 核自旋磁矩在恒定外磁场B。的作用下会绕外磁场方向发生进动，进动角频率。为： mg=YB。 (3-2-4) 由于原子核的自旋角动量p的空间取向是量子化的，若设B。沿x方向，则p在：方 155-
— １５５ — 现、研究和应用中荣获的一系列诺贝尔奖,培养学生勇于探索、敢于创新的科学精神和科 技报国的使命担当. 实验３Ｇ２Ｇ１ 连续波核磁共振 【实验目的】 (１)掌握核磁共振的基本原理和连续波核磁共振的实验方法. (２)观察几种物质的核磁共振现象,学会连续波核磁共振信号的测量方法. (３)测量几种物质的横向弛豫时间、朗德因子和旋磁比,分析各种因素对核磁共振现 象的影响. 【预习要求】 (１)什么是核磁共振? 哪些原子核能发生核磁共振? (２)连续波核磁共振是如何实现的? (３)扫场的作用是什么? 射频场的作用是什么? (４)核磁共振信号的尾波是怎么产生的? (５)怎样才能观察到 H 核和 F核的核磁共振信号? (６)甘油的核磁共振信号的精细结构如何? 实验上能否观察到甘油的精细结构? 【实验原理】 一、核磁共振基本原理 １．量子力学观点 原子核的自旋角动量为: p＝ I(I＋１) (３Ｇ２Ｇ１) 式中,I 为核自旋量子数,值为半整数或整数;＝ h ２π .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＝１/２,３/２, ５/２,. 原子核带有电荷,因而具有自旋磁矩,其大小为: μ＝g e ２mN p＝gμN I(I＋１) (３Ｇ２Ｇ２) 式中,mN为原子核质量;g 为核的朗德因子,对质子而言,g＝５５８６;μN ＝ e ２mp ＝ ５０５０９× １０－２７ Am２,称为核磁子,其中mp为质子质量.设γ＝ e ２mN g 为核的旋磁比,则有: μ＝γp (３Ｇ２Ｇ３) 核自旋磁矩在恒定外磁场B０ 的作用下会绕外磁场方向发生进动,进动角频率ω０为: ω０ ＝γB０ (３Ｇ２Ｇ４) 由于原子核的自旋角动量p 的空间取向是量子化的,若设B０ 沿z 方向,则p 在z 方
物理实验教程 —近代物理实 d 向上只能取 b.=mh(m=I,I一1，.，一I+1,一I) 式中，m为原子核的磁量子数，有2I十1种可能取值。考虑到以，=Yp.,所以核磁矩与外 磁场B。的相互作用能为： E=-Bo=-4B。=-yhmB。 (3-2-5) 原来的一个能级分裂为21十1个次能级（塞曼分裂），相邻次能级间的能量差为： △E=mo方=Y方B。=gNB0 (3-2-6) 在外磁场B。作用下，如果存在一个与B。相垂直的旋转磁场B1,当B1的角频率等于 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。本实验中 旋转磁场B,是由射频线圈产生的射频磁场（射频场）。 2.经典力学观点 原子核具有自旋磁矩4和自旋角动量p,在外磁场B。中受到一个力矩L,即 L=μXB (3-2-7) 在L的作用下自旋角动量发生的变化为： L-dp (3-2-8) 由式(3-2-3)、式(3-2-7)和式(3-2-8)得： g=XB。 (3-2-9) 若B。是恒定磁场且沿z方向，可得： (.=usin Osin(wot+) u,=usin 0cos(oot+) (3-2-10) u:-ucos 0 式中，0为4与B。之间的夹角，是由初始条件决定的常数。由此可见，4绕B。做进动，如 图3-2-1所示。进动角频率为 u。yB。 (3-2-11) 若在Oxy平面内加 一个旋转磁场B1,其旋转角频率为。，旋转方向与：的进动方向 一致，则B1对4的影响恰似一个恒定磁场，如图3-2-2所示。4除绕B。进动外，也绕B 进动，结果使其与轴的夹角增大，如图3-2-3所示。4与B。的相互作用能为 E=一uB。=一uB。cos0 (3-2-12) 当0增大时，E变大，表示粒子从B:中获得能量，这就是磁共振现象的经典力学 观点。 图3-2-】磁矩在外磁场中进动 图3-2-2旋转磁场 图32-3存在旋转磁场时磁矩的进动 156
— １５６ — 向上只能取: pz ＝m (m ＝I,I－１,,－I＋１,－I ) 式中,m 为原子核的磁量子数,有２I＋１种可能取值.考虑到μz ＝γpz,所以核磁矩与外 磁场B０ 的相互作用能为: E ＝－μB０ ＝－μzB０ ＝－γ mB０ (３Ｇ２Ｇ５) 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: ΔE ＝ω０ ＝γ B０ ＝gμNB０ (３Ｇ２Ｇ６) 在外磁场B０ 作用下,如果存在一个与B０ 相垂直的旋转磁场B１,当B１ 的角频率等于 ω０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.本实验中, 旋转磁场B１ 是由射频线圈产生的射频磁场(射频场). ２．经典力学观点 原子核具有自旋磁矩μ 和自旋角动量p,在外磁场B０ 中受到一个力矩L,即 L＝μ×B０ (３Ｇ２Ｇ７) 在L 的作用下自旋角动量发生的变化为: L＝ dp dt (３Ｇ２Ｇ８) 由式(３Ｇ２Ｇ３)、式(３Ｇ２Ｇ７)和式(３Ｇ２Ｇ８)得: dμ dt ＝γμ×B０ (３Ｇ２Ｇ９) 若B０ 是恒定磁场且沿z 方向,可得: μx ＝μsinθsin(ω０t＋φ) μy ＝μsinθcos(ω０t＋φ) μz ＝μcosθ (３Ｇ２Ｇ１０) 式中,θ为μ 与B０ 之间的夹角,是由初始条件决定的常数.由此可见,μ 绕B０ 做进动,如 图３Ｇ２Ｇ１所示.进动角频率为: ω０ ＝γB０ (３Ｇ２Ｇ１１) 若在Oxy 平面内加一个旋转磁场B１,其旋转角频率为ω０,旋转方向与μ 的进动方向 一致,则B１ 对μ 的影响恰似一个恒定磁场,如图３Ｇ２Ｇ２所示.μ 除绕B０ 进动外,也绕B１ 进动,结果使其与z 轴的夹角θ增大,如图３Ｇ２Ｇ３所示.μ 与B０ 的相互作用能为: E ＝－μB０ ＝－μB０cosθ (３Ｇ２Ｇ１２) 当θ增大时,E 变大,表示粒子从 B１ 中获得能量,这就是磁共振现象的经典力学 观点. 图３Ｇ２Ｇ１ 磁矩在外磁场中进动 图３Ｇ２Ｇ２ 旋转磁场 图３Ｇ２Ｇ３ 存在旋转磁场时磁矩的进动
0 磁共振技术实验第3章 二、连续波核磁共振基本原理 为了观察到稳定的共振信号，一般要在恒定磁场B。上加一个交变低频调制磁场（扫 描磁场，简称扫场)B=B。sin(mm1),因而作用在样品上的实际磁场为B=B。十B。磁场 B随时间的变化如图3-2-4()所示。这个周期性变化的磁场将引起相应的原子核磁矩的 进动角频率也周期性地变化，当满足式(3-2-11)时原子核发生核磁共振，此时能观察到核 磁共振信号，因而核磁共振信号是周期性出现的，如图3-2-4(b)所示。改变旋转磁场的角 频率仙。会使核磁共振信号发生移动，直到移动到总磁场满足仙。一YB一y(B。十B)的时 刻。如图3-2-5所示，当核磁共振信号移动至间距相等时，核磁共振发生在扫场B=0处。 AAAA 图子2-4核磁共振信号 图3-2-5等间隔核磁共振信号 三、弛豫过程和顺磁弛豫 对于由大量1一1/2的微观粒子组成的宏观物质，布洛赫提出用原子核磁化强度矢量 M来描述原子核系统被磁化的程度，其定义为单位体积内n个核自旋磁矩的矢量和，即 M=∑a (3-2-13) 处于沿：方向的外磁场中的原子核，其磁化强度矢量M只沿：方向，处于平衡状态。 当Oxy平面内加进旋转磁场B,时发生核磁共振，原子核磁化强度矢量M偏离平衡状 态。由于实验中外磁场是周期性变化的，因而核磁共振只是周期性发生。在每次核磁共 振结束后，原子核磁化强度失量M会自动向平衡状态恢复，该过程称为弛豫过程。原子 核磁化强度矢量M在：方向上的分量恢复到平衡状态的时间称为纵向弛豫时间T:,它 描述了自旋粒子系统通过与周围物质晶格交换能量恢复到平衡状态的时间，又称自旋晶 格弛豫时间。原子核磁化强度矢量M在)xv平而内的分量恢复到平衡状态的时间称为 横向弛豫时间T:,它不仅与自旋-晶格相互作用有关，而且与自旋粒子系统内部能量交换 有关。横向弛豫又称自旋-自旋弛豫。 在核磁共振实验时，有时会有意识地在样品中掺入少量顺磁离子，如F+，Cu+等。 这些顺磁离子具有未成对的电子自旋磁矩，且比原子核自旋磁矩大3个数量级。原子核 自旋磁矩与电子自旋磁矩之间具有很强的自旋-自旋相互作用，原子核易于把自身能量交 换给电子，电子与品格之间有紧密的耦合，因此电子又极易把能量转给品格，从而影响弛 豫过程，导致T,和T:都大幅度减小，保证低能级上粒子数日较多，使发生核磁共振的概 较大，因而核磁共振信号增强。样品的核磁共振弛豫时间与所掺顺磁离子浓度成反比， 当顺磁离子浓度增加时，弛豫时间减小，所以掺入一定浓度的顺磁离子可以起到增强核磁 -157
— １５７ — 二、连续波核磁共振基本原理 为了观察到稳定的共振信号,一般要在恒定磁场B０ 上加一个交变低频调制磁场(扫 描磁场,简称扫场)B ~ ＝Bmsin(ωmt),因而作用在样品上的实际磁场为B＝B０＋B ~ . 磁场 B 随时间的变化如图３Ｇ２Ｇ４(a)所示.这个周期性变化的磁场将引起相应的原子核磁矩的 进动角频率也周期性地变化,当满足式(３Ｇ２Ｇ１１)时原子核发生核磁共振,此时能观察到核 磁共振信号,因而核磁共振信号是周期性出现的,如图３Ｇ２Ｇ４(b)所示.改变旋转磁场的角 频率ω０ 会使核磁共振信号发生移动,直到移动到总磁场满足ω０ ＝γB ＝γ(B０ ＋B ~ )的时 刻.如图３Ｇ２Ｇ５所示,当核磁共振信号移动至间距相等时,核磁共振发生在扫场B ~ ＝０处. 图３Ｇ２Ｇ４ 核磁共振信号 图３Ｇ２Ｇ５ 等间隔核磁共振信号 三、弛豫过程和顺磁弛豫 对于由大量I＝１/２的微观粒子组成的宏观物质,布洛赫提出用原子核磁化强度矢量 M 来描述原子核系统被磁化的程度,其定义为单位体积内n 个核自旋磁矩的矢量和,即 M ＝∑ n i＝１ μi (３Ｇ２Ｇ１３) 处于沿z 方向的外磁场中的原子核,其磁化强度矢量 M 只沿z 方向,处于平衡状态. 当Oxy 平面内加进旋转磁场B１ 时发生核磁共振,原子核磁化强度矢量 M 偏离平衡状 态.由于实验中外磁场是周期性变化的,因而核磁共振只是周期性发生.在每次核磁共 振结束后,原子核磁化强度矢量 M 会自动向平衡状态恢复,该过程称为弛豫过程.原子 核磁化强度矢量 M 在z 方向上的分量恢复到平衡状态的时间称为纵向弛豫时间T１,它 描述了自旋粒子系统通过与周围物质晶格交换能量恢复到平衡状态的时间,又称自旋Ｇ晶 格弛豫时间.原子核磁化强度矢量 M 在Oxy 平面内的分量恢复到平衡状态的时间称为 横向弛豫时间T２,它不仅与自旋Ｇ晶格相互作用有关,而且与自旋粒子系统内部能量交换 有关.横向弛豫又称自旋Ｇ自旋弛豫. 在核磁共振实验时,有时会有意识地在样品中掺入少量顺磁离子,如 Fe３＋ ,Cu２＋ 等. 这些顺磁离子具有未成对的电子自旋磁矩,且比原子核自旋磁矩大３个数量级.原子核 自旋磁矩与电子自旋磁矩之间具有很强的自旋Ｇ自旋相互作用,原子核易于把自身能量交 换给电子,电子与晶格之间有紧密的耦合,因此电子又极易把能量转给晶格,从而影响弛 豫过程,导致T１和T２都大幅度减小,保证低能级上粒子数目较多,使发生核磁共振的概 率较大,因而核磁共振信号增强.样品的核磁共振弛豫时间与所掺顺磁离子浓度成反比, 当顺磁离子浓度增加时,弛豫时间减小,所以掺入一定浓度的顺磁离子可以起到增强核磁
物理实验教程 一近代物理实 共振信号的效果 四、恒定磁场的作用 核磁共振中恒定磁场用以产生核自旋物质能级的塞曼分裂。高质量的核磁共振要求 恒定磁场尽可能强、高度均匀且非常稳定。恒定磁场的稳定性差会破坏核磁共振条件，使 核磁共振信号时隐时现，严重时会使核磁共振信号完全消失。恒定磁场空间分布的不均 匀性会使不同位置的原子核发生核磁共振的时间不同，而观察到的核磁共振信号是所有 发生核磁共振的原子核产生的核磁共振信号的叠加，因而恒定磁场空间分布的不均匀性 会使观察到的核磁共振信号变宽，幅度降低，信号变差。 恒定磁场空间分布的不均匀性还会使弛豫时间减小，所以测量得到的弛豫时间包含 了恒定磁场空间分布不均匀性的影响，此时的横向弛豫时间称为表观横向弛豫时间 T:。T:小于实际的横向弛豫时间T,与表征样品体积范围内恒定磁场空间分布的不均 匀性的参数8之间的关系为： T (3-2-14) 式中，。为样品体积范围内最大和最小磁感应强度之差与平均磁感应强度的比值。 核磁共振仪中恒定磁场是由磁铁产生的，磁铁是核磁共振仪中最重要的部件。磁铁 有永磁铁、电磁铁和超导磁铁三种，它们各有优缺点。例如，永磁铁结构简单、长期稳定和 使用方便，但磁场不能改变，易受温度影响：电磁铁磁场和磁隙可调，灵活性大，但需要大 功率的励磁电源：超导磁铁虽然能够达到极强的磁场，但目前仍需在低温下运行。 五、弛豫尾波的形成与观察 幅度 如图3-2-6所示，在观察到的核磁共根信号中能够看 到信号尾部出现的是一系列衰减振动，称为尾波或振铃 由于它起源于弛豫过程，所以也称为弛豫尾波。尾波的出 现是由于周期性的扫场快速通过共振区，以致原子核磁化 强度矢量M的变化跟不上外磁场的快速变化，当外磁场变 化到远离共振点时，在横向弛豫时间T内原子核自旋磁知 继续围绕外磁场发生进动，直到原子核磁化强度矢量M的 横向分量消失回到平衡位置为止。这段时间内，原子核磁 图3-26瞬时共振吸收信号 化强度矢量M的横向分量将在接收核磁共振信号的射频线圈内产生感生电动势，由于射 颜线圈既提供旋转磁场又接收核磁共振信号，因此感生电动势和线圈振荡信号产生拍频 信号，这就是核磁共振信号的尾波。 通过尾波的观察与测量可以获得大量有用的信息，可以估算表观横向弛豫时间、样品 体积节围内恒定磁场容间分布的不均匀性以及判断核膜共振仪的分排率。如果没有尾波 出现，则说明核磁共振仪的分辨率不高。根据尾波波峰随时间的变化可以估算表观横向 弛豫时间T:(T:是核磁共振信号最高峰值下降到1/e的时间的数值)，再根据式(3-2-14) 即可得到核磁共振横向弛豫时间T:。 六、横向弛豫时间T,的测定 如前所述，横向弛豫时间T:反映了原子核与周围晶格之间的相互作用以及原子核与 158
— １５８ — 共振信号的效果. 四、恒定磁场的作用 核磁共振中恒定磁场用以产生核自旋物质能级的塞曼分裂.高质量的核磁共振要求 恒定磁场尽可能强、高度均匀且非常稳定.恒定磁场的稳定性差会破坏核磁共振条件,使 核磁共振信号时隐时现,严重时会使核磁共振信号完全消失.恒定磁场空间分布的不均 匀性会使不同位置的原子核发生核磁共振的时间不同,而观察到的核磁共振信号是所有 发生核磁共振的原子核产生的核磁共振信号的叠加,因而恒定磁场空间分布的不均匀性 会使观察到的核磁共振信号变宽,幅度降低,信号变差. 恒定磁场空间分布的不均匀性还会使弛豫时间减小,所以测量得到的弛豫时间包含 了恒定磁场 空 间 分 布 不 均 匀 性 的 影 响,此 时 的 横 向 弛 豫 时 间 称 为 表 观 横 向 弛 豫 时 间 T∗ ２ .T∗ ２ 小于实际的横向弛豫时间T２,与表征样品体积范围内恒定磁场空间分布的不均 匀性的参数δB 之间的关系为: １ T∗ ２ ＝ １ T２ ＋ γδBB ２ (３Ｇ２Ｇ１４) 式中,δB 为样品体积范围内最大和最小磁感应强度之差与平均磁感应强度的比值. 核磁共振仪中恒定磁场是由磁铁产生的,磁铁是核磁共振仪中最重要的部件.磁铁 有永磁铁、电磁铁和超导磁铁三种,它们各有优缺点.例如,永磁铁结构简单、长期稳定和 使用方便,但磁场不能改变,易受温度影响;电磁铁磁场和磁隙可调,灵活性大,但需要大 功率的励磁电源;超导磁铁虽然能够达到极强的磁场,但目前仍需在低温下运行. 图３Ｇ２Ｇ６ 瞬时共振吸收信号 五、弛豫尾波的形成与观察 如图３Ｇ２Ｇ６所示,在观察到的核磁共振信号中能够看 到信号尾部出现的是一系列衰减振动,称为尾波或振铃. 由于它起源于弛豫过程,所以也称为弛豫尾波.尾波的出 现是由于周期性的扫场快速通过共振区,以致原子核磁化 强度矢量 M 的变化跟不上外磁场的快速变化,当外磁场变 化到远离共振点时,在横向弛豫时间T２内原子核自旋磁矩 继续围绕外磁场发生进动,直到原子核磁化强度矢量 M 的 横向分量消失回到平衡位置为止.这段时间内,原子核磁 化强度矢量 M 的横向分量将在接收核磁共振信号的射频线圈内产生感生电动势,由于射 频线圈既提供旋转磁场又接收核磁共振信号,因此感生电动势和线圈振荡信号产生拍频 信号,这就是核磁共振信号的尾波. 通过尾波的观察与测量可以获得大量有用的信息,可以估算表观横向弛豫时间、样品 体积范围内恒定磁场空间分布的不均匀性以及判断核磁共振仪的分辨率.如果没有尾波 出现,则说明核磁共振仪的分辨率不高.根据尾波波峰随时间的变化可以估算表观横向 弛豫时间T∗ ２ (T∗ ２ 是核磁共振信号最高峰值下降到１/e的时间的数值),再根据式(３Ｇ２Ｇ１４) 即可得到核磁共振横向弛豫时间T２. 六、横向弛豫时间T２的测定 如前所述,横向弛豫时间T２反映了原子核与周围晶格之间的相互作用以及原子核与