WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 |

Описание установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса Для наблюдения ЯМР исследуемое вещество помещают в магнитное поле и измеряют поглощение переменного электромагнитного поля в зависимости от его частоты. Резонансное поглощение наблюдается в том случае, когда выполняется соотношение (П2.5) приложения 2 между частотой и величиной магнитного поля. В качестве источника переменного поля в диапазоне радиочастот служит ламповый генератор. Постоянное магнитное поле в образце создается с помощью соленоида.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.1.

Узлы установки, обведенные на рисунке пунктиром, находятся внутри устройства Ш 1-1. В сеточный контур лампы генератора Г включен резонансный контур, состоящий из параллельно соединенных катушки индуктивности К и конденсатора переменной емкости С. Ручка этого конденсатора, позволяющего менять частоту генератора, выведена на переднюю панель устройства Ш 11. Образец представляет собой ампулу с водой, ядра водорода коБП А Ч КС О С М К М Г У ГМ КС Рис. 2.1. Блок-схема установки по измерению магнитного момента ядер водорода.

КС – катушка соленоида, БП – блок питания соленоида, А – амперметр, К – катушка резонансного контура радиочастотного генератора с образцом, С – конденсатор резонансного контура радиочастотного генератора, Г - радиочастотный генератор, Ч – частотомер, У – усилитель, М – модуляционные катушки, ГМ – генератор модуляционной частоты, О – осциллограф.

торой состоят из одного протона. Поглощение в веществе, связанное с магнитным резонансом, очень мало и поэтому для его усиления образец помещается внутри катушки индуктивности К, где амплитуда высокочастотной составляющей магнитного поля максимальна. Частота генерируемых в катушке К колебаний составляет около 3.106 Гц и контролируется с помощью частотомера Ч. После высокочастотного усилителя сигнал этой частоты выпрямляется с помощью детектора (полупроводникового диода).

Если при каждом значении частоты генератора измерять напряжение на детекторе, 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 временная зависимость сигнала будет аналогичной показанной на рис. 1.работы 4.01. Для создания этого дополнительного низкочастотного переменного магнитного поля около катушки генератора К прикреплены две катушки М, на которые подается переменное напряжение частоты 50 Гц от генератора ГМ. 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 У усиливается и поступает на вход Y осциллографа О. На Х вход осциллографа подается сигнал с генератора, питающего модуляционные катушки. В зависимости от полярности диода детектора сигнал ЯМР 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 экРис. 2.2. Наблюдаемый сигнал ЯМР.

ране осциллографа в общем случае видны две кривые сигнала ЯМР аналогичные рис.1.3 работы 4.01. Наличие двух сигналов объясняется сдвигом фаз между напряжением и током модуляционных катушек. Эти кривые можно совместить при помощи фазовращателя “фаза”, ручка которого выведена на лицевую панель устройства Ш 1-1. В результате сигнал приобретает вид, показанный на рисунке 2.2.

Порядок выполнения работы 1. Включить тумблер “сеть”, расположенный на лицевой панели измерительного устройства Ш 1-1.

2. Включить тумблер “сеть” осциллографа.

3. Включить тумблеры “сеть” и “термостат”, выведенные на лицевую панель частотомера. После нескольких секунд прогревания прибора индикатор частотомера должен начать показывать частоту генератора слабых колебаний.

4. Ручка “частота” на внешней панели устройства Ш1-1 состоит из двух: меньшего диаметра – для грубого изменения частоты и большого диаметра – для плавного ее изменения. С помощью ручки меньшего диаметра установить рабочую частоту генератора равной 3 МГц.

5. Включить тумблер “сеть” на блоке питания соленоида и убедиться по показанию амперметра, что через соленоид течет ток.

Внимание! Питание соленоида нельзя включать более, чем на 15 минут из-за возможности перегрева соленоида и выхода установки из строя.

6. Плавно вращать ручку тонкой настройки частоты до тех пор, пока на экране осциллографа не появится линия резонансного поглощения и установить эту линию в середину экрана осциллографа.

7. Записать частоту генератора и величину тока, протекающего через соленоид.

8. Измерить линейкой ширину линии резонанса на половине ее высоты.

9. По градуировочному графику определить и записать величину магнитного поля в соленоиде.

10. При постоянном токе соленоида провести градуировку экрана осциллографа. Для чего:

а) Плавно вращая ручку тонкого изменения частоты генератора сместить линию резонанса в крайнее левое положение, отметить его и записать частоту генератора;

б) Сместить линию резонанса в крайнее правое положение, отметить его и записать частоту генератора;

в) Из полученных данных определить градуировочную постоянную экрана осциллографа 11. Вычислить ширину наблюдаемой линии резонанса в Гц.



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 фактор спектроскопического расщепления 7. Что такое g-фактор 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. Какую физическую величину определяют в работе, используя значение ширины линии магнитного резонанса 12. Что такое время релаксации и как его определить в работе 13. Как при выполнении работы определить резонансное значение частоты 14. Как при выполнении работы определить ширину линии резонанса 15. Как выразить величину ширины линии резонанса в гс, если она известна в Гц и наоборот 16. Что такое диод и для чего он используется в установке 17. Где помещается образец для наблюдения ЯМР 18. Написать формулу для определения величины магнитного момента из условия магнитного резонанса.

19. Написать формулу для нахождения времени релаксации, если известна ширина линии резонанса в Гц.

20. Нарисовать блок-схему установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса.

Приложение НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ МИКРОЧАСТИЦ.

П1.1. Понятие магнитного момента В общем курсе физики понятие магнитного момента вводится при описании момента сил, действующего на петлю с током, помещенную в магнитное поле. Величина механического момента определяется выражением:

I S Mмех = Bsin (П1.1) где I – сила тока измеряется в амперах, В – индукция магнитного поля в гауссах2 (гс), S – площадь, охватываемая контуром с током в см2, - угол между нормалью к поверхности контура и направлением магнитного поля. Величину I S M = (П1.2) называют магнитным моментом, и тогда Mмех = MBsin. (П1.3) Магнитный момент можно обнаружить по действию на рамку с током магнитного поля. Рамка с током также является источником магнитного поля. Система единиц, в которой ток измеряется в амперах, а другие электрические и магнитные величины – в гауссовой системе (СГС), называется “электромагнитной системой единиц”. В этой системе единица величины магнитного момента обозначается эме и по размерности совпадает с гаусс (гс). Магнитный момент является векторной величиной, а его направление совпадает с нормалью к площади, обтекаемой током. Выражение (П1.3) в виде векторного произведения запишется как r r r Mмех = M B. (П1.4) В квантовой механике обычно удобнее пользоваться не системой единиц СИ, а одной из систем единиц, более подходящей для решения конкретной задачи. В данном приложении используется система СГС (CGS), соотношение некоторых величин которой с единицами СИ дано в приложении 3.

В магнитном поле с индукцией В энергия магнитного момента E записывается в виде скалярного произведения r r E = -MB. (П1.5) Появление знака минус связано с тем, что минимум энергии соответствует равновесному состоянию контура с током, когда нормаль к его плоскости ориентирована вдоль магнитного поля.

В неоднородном магнитном поле на контур с током действует не только вращающий момент, но также и перемещающая сила F, которая в случае одного измерения и M=const принимает вид B F =- E = M (П1.6) x x Как видно, если M > 0, то эта сила втягивает контур с током в магнитное поле, а при M < 0 – выталкивает.

Магнитным моментом могут обладать не только контур с током, но и некоторые частицы: электроны, протоны, нейтроны.

Согласно квантовой механике, их магнитный момент обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина3.

Частицы, обладающие в отсутствие магнитного поля отличным от нуля магнитным моментом, называют парамагнитными.

Существенное отличие между электронами, с одной стороны, нейтронами и протонами с другой — состоит в том, что магнитный момент электронов почти в 2000 раз больше чем у нейтрона или протона. Магнитный момент ядер обусловлен наличием его у нейтронов и протонов, входящих в состав ядра.

Спин (spin) — собственный момент импульса элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого. Спин частиц однозначно связан с характером статистики, которой они подчиняются. Так, частицы с полуцелым спином (например, электроны) подчиняются статистике Ферми-Дирака и для них справедлив принцип запрета Паули. Частицы же с целым спином подчиняются статистике БозеЭйнштейна и принцип Паули для них не имеет силы.

П1.2. Классификация веществ по взаимной ориентации магнитных моментов составляющих его атомов Все вещества состоят атомов, т.е. из ядер, вокруг которых движутся электроны. Но, поскольку магнитные моменты ядер на три порядка меньше магнитных моментов электронов, то магнитный момент атомов и молекул складывается, в основном, из спиновых магнитных моментов отдельных электронов и магнитных моментов, создаваемых орбитальным движением электронов вокруг ядер. Их суммарный магнитный момент определяет намагниченность вещества. В атомах, в основном, все электроны “спарены” - связаны в пары, составленные из электронов с противоположно направленными спинами и занимающими такие атомные орбитали (квантовые состояния), чтобы возникающий при этом суммарный магнитный момент был равен нулю. Неспаренные электроны внешних оболочек обуславливают химическую активность атома и, при соединении атомов в молекулы4, также образуют, как правило, связанные пары с нулевым магнитным моментом. Электроны, находящиеся на внутренних оболочках, в образовании химических связей не участвуют. Поэтому, если на внутренних электронных оболочках атома есть неспаренные электроны, то такой атом будет обладать отличным от нуля магнитным моментом в любом химическом соединении. К таким атомам относятся элементы периодической системы Менделеева, которые находятся в той ее части, где происходит застройка электронами внутренних оболочек. Это 3d группа железа (ScNi), 4d группа палладия (YPd), 5d группа платины (HfPt), 4f группа редкоземельных элементов (или лантоноидов) и 5f группа актиноидов.





По поведению в магнитном поле (см. (П1.3), (П1.6)) все вещества можно разделить на диамагнетики и парамагнетики. Парамагнетики, в свою очередь, можно разделить на собственно парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферриты и диамагнетики (см. таблицу).

Твердое тело (кристалл) также можно рассматривать как одну «гигантскую молекулу».

Диамагнетики в отсутствие внешнего магнитного поля не обладают собственным магнитным моментом, а в поле приобретают магнитный момент, направленный против внешнего поля.

Величина этого момента по абсолютному значению в десять - сто раз меньше, чем у парамагнитных веществ. Этот магнитный момент возникает вследствие “деформации” электронных оболочек атомов под действием магнитного поля.

В остальных веществах атомы обладают магнитным моментом. При помещении этих веществ в магнитное поле они приобретают суммарный магнитный момент (намагниченность), направленный вдоль внешнего поля.

Парамагнетиком называется вещество, у которого в отсутствие магнитного поля магнитные моменты атомов ориентированы хаотически (суммарный момент равен нулю). При включении внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов начинают B=0 B> 5* 1* 2* 3* 1* 4* Диамагнетики M<0 Выталк. — Парамагнетики — M=Антиферромагнети Нееля ки M>Ферриты Кюри MФерромагнетики Кюри Примечания: 1* - результирующий магнитный момент, 2* - схематическое изображение взаимной ориентации парамагнитных частиц вещества, 3* - схематическое изображение результирующего магнитного момента, 4* - поведение образца в неоднородном магнитном поле, 5* - название характеристической температуры, ниже которой вещество находится в данном состоянии.

Втягиваются в МП ориентироваться вдоль направления поля, и появляется намагниченность, величина которой в не очень сильных магнитных полях пропорциональна индукции внешнего поля.

В ферромагнетиках, ферримагнетиках и антиферромагнетиках ниже определенной температуры магнитные моменты атомов даже в отсутствие магнитного поля ориентируются относительно друг друга определенным образом.

Для ферромагнетиков эта температура носит название температуры Кюри. Магнитные моменты всех атомов ферромагнетика выстраиваются параллельно друг другу, и намагниченность вещества отлична от нуля. К ферромагнетикам относятся, например, никель, железо и кобальт. Так как температуры Кюри перечисленных веществ существенно выше комнатной, то из них или их сплавов обычно изготавливают источники магнитного поля (постоянные магниты).

В антиферромагнетиках соответствующая температура называется температурой Нееля. В этих веществах магнитные моменты всех атомов выстраиваются антипараллельно друг другу.

В отсутствие магнитного поля намагниченность отсутствует и появляется только при его включении.

В ферритах магнитные моменты могут быть упорядочены относительно друг друга различным образом, но их магнитный момент в отсутствии магнитного поля отличен от нуля.

П1.3. Квантование момента количества движения микрочастиц Рассматривая движение заряженной частицы по замкнутой траектории как петлю с током, можно вычислить создаваемый ею магнитный момент, который далее будем обозначать буквой µ.

Как известно, при таком движении частица также обладает моментом импульса, который обозначим буквой L. В квантовой механике показывается, что проекция орбитального момента атома на произвольную ось (например, ось z) принимает дискретный ряд значений:

Lz=ml.h (П1.7) где постоянная Планка h=1,06.10 - 27 эрг.с, ml =0, ±1, ±2, …±l – орбитальное магнитное квантовое число с максимальным значением равным l, где l = 0, 1, 2 … - азимутальное квантовое число, определяющее величину квадрата момента импульса атома в стационарном квантовом состоянии.

П1.4. Гиромагнитное отношение для орбитального движения и собственного спинового момента. Магнетон Бора Поскольку и величина тока, и величина момента импульса пропорциональны скорости частицы, то эти величины связаны простой пропорциональной зависимостью:

Pages:     | 1 || 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.