WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС ФИЗИКА, Часть 4 (квантовая механика и статистическая физика) Методические указания по выполнению лабораторных работ Для студентов всех специальностей Москва 2001 2 Составители: И.В. Гладышев В.Ф. Мещеряков Редактор: В.Г. Морозов Методические указания содержат описания и краткий теоретический материал к лабораторным работам по электронному парамагнитному и ядерному магнитному резонансам, предлагаемых студентам всех специальностей МИРЭА по курсу “физика ч.4”.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Рецензенты: Буш А.А.

Лазаренко Л.М.

© Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), 2001 3 Содержание Содержание.........................................................................................3 Работа № 4.01 ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТННОГО РЕЗОНАНСА (ЭПР)................................5 Цель работы:..............................................................................5 Задание:......................................................................................5 Литература:................................................................................5 вопросы:......................................................................................5 Описание установки для наблюдения электронного парамагнитного резонанса.......................................................6 Порядок выполнения работы....................................................9 Обработка результатов измерений.........................................10 Перечень вопросов необходимых для сдачи зачета по лабораторной работе:..............................................................Работа № 4.02 ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА ПРОТОНА (ЯДРА АТОМА ВОДОРОДА) МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ЯМР)...................Цель работы:............................................................................Задание:....................................................................................Литература:..............................................................................вопросы:....................................................................................Описание установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса.............................................................Порядок выполнения работы..................................................Обработка результатов измерений.........................................Перечень вопросов необходимых для сдачи зачета по лабораторной работе:..............................................................Приложение 1 НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ МИКРОЧАСТИЦ......................................................................

П1.1. Понятие магнитного момента.......................................П1.2. Классификация веществ по взаимной ориентации магнитных моментов составляющих его атомов..................П1.3. Квантование момента количества движения микрочастиц.............................................................................П1.4. Гиромагнитное отношение для орбитального движения и собственного спинового момента. Магнетон Бора...........................................................................................П1.4. Фактор спектроскопического расщепления. Понятие о g-факторе и его связь с величиной магнитного момента частицы.....................................................................................Приложение 2 ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА.................................................................................

П2.1. Условие магнитного резонанса..................................П2.2. Ширина линии магнитного резонанса.....................Приложение 3...................................................................................Работа № 4.ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТННОГО РЕЗОНАНСА (ЭПР) Цель работы:

измерение магнитного момента электрона и времени его нахождения в возбужденном состоянии с помощью магнитного резонанса.

Задание:

определить при заданной частоте внешнего излучения значение резонансного магнитного поля и ширину линии электронного парамагнитного резонанса; по полученным данным вычислить величину магнитного момента, g-фактор и оценить время релаксации.

Литература:

1. Приложения 1, 2, 3.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1998. Т.5 (§§ 5.5 - 5.9) 3. *Механика и молекулярная физика: Лабораторный практикум по физике. М.: МИРЭА, 1997. (Введение).

4. *Лабораторный практикум по общей физике. – М..: Изд-во МФТИ. – 1998. (с. 221-250) 5. *Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.

6. *Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.:

Наука, 1974.

Подготовка к выполнению работы состоит в ознакомлении с материалом, позволяющим ответить на следующие вопросы:

1. В чем состоит цель работы 2. Какие величины необходимо измерить в работе, чтобы вычислить магнитный момент электрона 3. Какие величины необходимо измерить в работе, чтобы вычислить время релаксации 4. Что такое магнитный момент 5. Как ведет себя вещество, обладающее магнитным моментом, при помещении его в магнитное поле 6. Какая частица называется парамагнитной 7. Что такое клистрон 8. Для чего нужны модуляционные катушки 9. Где помещается образец при наблюдении ЭПР 10. Как в процессе измерений менять и определять величину магнитного поля 11. Описать последовательность действий при измерении ширины линии резонанса;



12. Показать на установке клистрон, резонатор, детектор и объяснить их назначение.

Описание установки для наблюдения электронного парамагнитного резонанса При наблюдении ЭПР измеряют поглощение переменного электромагнитного поля в зависимости от величины индукции внешнего постоянного магнитного поля. Резонансное поглощение наблюдается в том случае, когда выполняется соотношение (П2.4) приложения 2 между частотой и величиной магнитного поля. В качестве источника переменного поля в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) служит клистрон, который обозначен на рис.1.1 цифрой 1. Постоянное магнитное поле в образце создается с помощью электромагнита 4 (см. рис.1.1).

Частота генерируемых клистроном колебаний лежит в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и указана на градуировочном графике электромагнита1. Для передачи таких высокочастотных колебаний используют волноводы, поперечные размеры которых По порядку величины частота около 9.10 9 Гц (длина волны 3 см) 2 1 Y X Рис. 1.1. Блок-схема установки по измерению электронного парамагнитного резонанса.

1 – клистрон, 2 – источник питания клистрона, 3 – СВЧ резонатор, 4 – катушки электромагнита, 5 – источник питания электромагнита, 6 – амперметр, 7 – СВЧ детектор, 8 – модуляционные катушки, 9 – генератор частоты модуляции, 10 – усилитель, 11 – осциллограф.

сравнимы с длиной волны. Клистрон подсоединен к блоку питания, который на том же рисунке обозначен цифрой 2. Поглощение в веществе, связанное с магнитным резонансом, очень мало и поэтому для его усиления применяют резонатор – устройство, позволяющее увеличивать амплитуду колебаний электромагнитного поля в месте нахождения образца. В резонаторе, в зависимости от его геометрических размеров, возникают различные типы колебаний, в которых магнитная и электрическая компоненты высокочастотного поля имеют определенное пространственное распределение (конфигурацию). Резонатор 3 представляет собой отрезок волновода поперечного размера 2310 мм, закрытый с двух сторон перегородками, имеющими отверстия для передачи СВЧ мощности. Распределение магнитных силовых линий в таком резонаторе показано на рис.1.1 пунктирной линией. Ампула с исследуемым образцом помещается в пучности магнитной компоненты СВЧ поля резонатора, то есть там, где эта амплитуда максимальна.

Питание катушек электромагнита осуществляется от блока питания 5. Величина тока, текущего через катушки электромагнита, контролируется с помощью амперметра 6. Резонатор с образцом помещают в зазор между полюсами электромагнита.

Прошедшая через резонатор СВЧ мощность поступает на детектор 7, представляющий собой диод, ток которого пропорционален падающей на него мощности. Если при каждом значении магнитного поля измерять ток детектора, то таким образом по точкам можно получить кривую резонансного поглощения. Однако, если к внешнему постоянному магнитному полю добавить переменное магнитное поле низкой частоты (50 Гц) так, чтобы его амплитуда была в несколько раз больше ширины резонансной линии, то сигнал поглощения можно наблюдать на экране осциллографа. На рис. 1.2 показано, как при этом будет меняться ток детектора в зависимости от времени, при условии, что величина постоянного магнитного поля удовлетворяет условию резонанса.

Для создания этого дополнительного низкочастотного переменного магнитного поля к широкой стенке резонатора прикреплены две катушки 8 (см. рис. 1.1), на которые подается переменное напряжение частоты 50 Гц. Их называют модуляционными катушками. Напряжение питания модуляционных катушек подается с отдельных клемм блока питания электромагнита. При появлении резонансного поглощения, изменение амплитуды СВЧ колебаний в резонаторе происходит с частотой модуляции. Сигнал этой частоты выделяется детектором, с помощью усилителя 10 усиливается и поступает на вход Y осциллографа 11. На Х вход осциллографа подается сигнал с генератора, питающего модуляционные катушки. В зависимости от полярности диода детектора сигнал ЭПР на экране осциллографа обращен вверх или вниз от горизонтальной линии развертки. Поскольку поле модулирующих катушек проходит точное резонансное значение два раза за каждый период, то при развертке луча осциллографа напряжением модулирующих катушек на экране осциллографа в общем случае видны две кривые сигнала ЭПР (рис. 1.3). Наличие двух сигналов объясняется сдвигом фаз между напряжением и током модуляци I t Рис. 1.2. Временная зависимость тока детектора.

Рис. 1.3. Наблюдаемый сигнал ЭПР.

онных катушек. Эти кривые можно совместить при помощи фазовращателя “фаза”, ручка которого выведена на лицевую панель блока питания клистрона.

Порядок выполнения работы 1. Включить питание клистрона, для чего нажать кнопку “сеть” на блоке питания клистрона.

2. Включить на осциллографе тумблер “сеть”.

3. Включить прогрев ламп источника питания электромагнита и напряжение на модуляционные катушки, для чего включить на блоке питания электромагнита тумблер “сеть”. После трехминутного прогрева источника питания клистрона на клистрон будет подано высокое напряжение, и он начнет генерировать высокочастотные колебания, что проявится в появлении шума на экране осциллографа. Если этого не произойдет, необходимо подстроить частоту клистрона на частоту резонатора. Поворачивая ручку “частота клистрона” на блоке питания клистрона, следует добиться появления шума на экране осциллографа и оставить ее в положении, где шумы будут минимальными. Это положение соответствует точной настройке частоты клистрона на частоту резонатора. Небольшой поворот ручки в любую сторону должен приводить к увеличению шумов.





4. Включить тумблером “анод” анодное напряжение на выходных лампах источника питания электромагнита. Меняя напряжение на его выходе, добиться появления линии поглощения на экране осциллографа.

5. Установив линию на середине экрана, записать величину тока электромагнита и по градуировочному графику определить поле резонанса.

6. Записать частоту клистрона, которая указана на градуировочном графике.

7. Провести градуировку экрана осциллографа для чего:

а) Изменяя ток электромагнита, сместить линию резонанса сначала в крайнее левое положение, отметить его и записать величину тока электромагнита;

б) Сместить линию резонанса в крайнее правое положение, отметить его и записать величину тока электромагнита;

в) Определив по градуировочному графику значения магнитных полей в крайних точках экрана осциллографа и разделив их разницу на расстояние между ними, определить градуировочную постоянную.

8. Установить линию на середине экрана и с помощью линейки измерить ширину резонансной линии на половине ее высоты.

9. Используя результаты измерений определить ширину линии резонанса в гс.

Обработка результатов измерений 1. Вычислить величину магнитного момента, g-фактор и время релаксации, используя приведенные в приложениях 1 и 2 формулы.

2. Рассчитать погрешность определения ширины резонансной линии.

3. Записать вывод по работе.

Перечень вопросов необходимых для сдачи зачета по лабораторной работе:

1. Что такое магнитный момент и как влияет магнитное поле на вещество, обладающее магнитным моментом 2. Чем отличаются парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферриты и диамагнетики по своим магнитным свойствам 3. Какие частицы называют парамагнитными, и атомы каких групп периодической системы Менделеева являются парамагнитными в любом химическом соединении 4. Какие значения может принимать энергия частицы со спином r r S=1/2 и магнитным моментом µ в магнитном поле 5. В каких единицах в квантовой механике измеряются момент импульса и магнитный момент 6. Что такое гиромагнитное отношение и как оно отличается для орбитального движения и спинового момента электрона 7. Что такое g-фактор и чему он равен для свободного электрона 8. Что такое фотон и чему равна его энергия 9. Чему должна быть равна энергия фотона для того, чтобы при данной величине индукции магнитного поля было возможно наблюдать явление магнитного резонанса 10. Что происходит с магнитным моментом частицы во время резонансного поглощения 11. Что такое время релаксации и как его определить в работе 12. Какую физическую величину определяют в работе, используя значение ширины линии магнитного резонанса 13. Как при выполнении работы определить резонансное значение магнитного поля 14. Как при выполнении работы определить ширину линии резонанса 15. Как выразить величину ширины линии резонанса в Гц, если она известна в гс и наоборот 16. Что такое диод и для чего он используется в установке 17. Написать формулу для определения величины магнитного момента из условия магнитного резонанса.

18. Написать формулу для оценки времени релаксации, если известна ширина линии резонанса в гауссах.

19. Нарисовать блок-схему установки для наблюдения электронного парамагнитного резонанса.

Работа № 4.ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА ПРОТОНА (ЯДРА АТОМА ВОДОРОДА) МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ЯМР) Цель работы:

измерение магнитного момента ядра атома водорода и времени нахождения его в возбужденном состоянии с помощью ядерного магнитного резонанса.

Задание:

определить при заданном значении внешнего магнитного поля частоту резонансного поглощения и ширину резонансной линии ядерного магнитного резонанса. По полученным данным вычислить величину магнитного момента ядра водорода, значение g-фактора и время релаксации.

Литература:

1. Приложение 1,2,3.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1998. Т.5 (§§ 5.5 - 5.9, 10.1) 3. *Механика и молекулярная физика: Лабораторный практикум по физике. М.: МИРЭА, 1997. (Введение).

4. *Лабораторный практикум по общей физике. – М..: Изд-во МФТИ. – 1998. (с. 221-250) 5. *Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.

6. *Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.:

Наука, 1974.

Подготовка к выполнению работы состоит в ознакомлении с материалом, позволяющим ответить на следующие вопросы:

1. В чем состоит цель работы 2. Какие величины необходимо измерить в работе, чтобы вычислить магнитный момент ядра водорода 3. Какие величины необходимо измерить в работе, чтобы вычислить время релаксации 4. Что такое магнитный момент и как влияет на него магнитное поле 5. Какая частица называется парамагнитной 6. Для чего нужен радиочастотный генератор 7. Для чего нужны модуляционные катушки 8. Где помещается образец при наблюдении ЯМР 9. Как в процессе измерений определять величину магнитного поля и менять частоту 10. Описать последовательность действий при измерении ширины линии резонанса;

11. Показать на установке соленоид, частотомер и объяснить их назначение;

12. Показать где находится образец, катушка радиочастотного генератора, ручка перестройки частоты генератора;

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.