Визначення магнітного моменту протона
Прилади й приналежності: електромагніт ЕМ-1, джерело живлення постійного струму Б5-49, вимірювач магнітної індукції Ш1-9, частотомір Ч3-44, амперметр постійного струму.
Вступ. Магнітне поле в речовині створюється не тільки електричним струмом, що протікає по дротах, а й рухом заряджених частинок усередині атомів і молекул, а також власними магнітними моментами електронів і ядер. За сучасними уявленнями власний магнетизм речовини обумовлений трьома причинами: 1) орбітальним рухом електронів навколо ядер, 2) власним магнітним моментом електронів, 3) власним магнітним моментом ядер. Вивченню останнього явища і присвячена дана робота.
Позначимо магнітний момент ядра. Величина його не залежить від зовнішнього магнітного поля, в якому знаходиться речовина, що містить такі ядра. Напрямок вектора магнітного моменту збігається з напрямком моменту імпульсу. Коефіцієнт пропорційності називається гіромагнітного відношення
Відповідно до квантової теорії величина магнітного моменту ядра визначається наступною формулою:
де g - g-фактор (читається як ШЕ-фактор), який визначається експериментально,
I - ціле або напівціле число, яке прийнято називати квантовим числом ядра (або просто - спіном ядра). Спін залежить від масового і зарядового чисел ядра.
N - ядерний магнетон Бора.
е - заряд протона (він дорівнює елементарному заряду),
- постійна Планка, поділена на 2.
Завдяки впливу зовнішнього магнітного поля з індукцією ядерний магнітний момент орієнтується в ньому певним чином. Як випливає з квантової теорії, можливі такі орієнтації, при яких проекція магнітного моменту на напрямок зовнішнього магнітного поля визначається наступним співвідношенням:
де m - ціле число (при I цілому) або напівціле (при I напівцілий). Набір можливих значень m задається умовою
На рис. 1, а показані можливі орієнтації в зовнішньому магнітному полі магнітного моменту ядра, що володіє напівцілим спіном I = 3/2, а також проекції його на напрямок поля. В даному прикладі m = -3/2; -1/2; +1/2; +3/2 (різниця між сусідніми значеннями завжди дорівнює одиниці).
Взаємодія магнітного моменту ядра з зовнішнім полем призводить до появи у ядра додаткової енергії
де В - проекція магнітного моменту на напрямок поля.
Т
ак як проекція магнітного моменту, відповідно до формули (4), може приймати ряд дискретних значень. то енергетичний рівень ядра розщеплюється в магнітному полі на таку ж кількість підрівнів (рис. 1, б).
Різниця значень енергії між двома сусідніми підрівнями становить
Переклад ядра з нижніх енергетичних рівнів на вищі вимагає витрати електромагнітної енергії і відбувається під впливом зовнішнього радіочастотного поля відповідної частоти . задовольняє умові
Явище поглинання енергії електромагнітного поля, що приводить до порушення переходів між енергетичними рівнями магнітного моменту ядра в постійному магнітному полі, носить назву ядерного магнітного резонансу (ЯМР).
Як видно з формули (10), частота резонансного поглинання енергії високочастотного випромінювання пропорційна індукції постійного магнітного поля. Цей факт використовується для найточнішого в даний час вимірювання магнітної індукції. Висока точність досягається завдяки тому, що техніка вимірювання частоти електромагнітних коливань досягла великої досконалості, а процес вимірювання здійснюється досить просто і надійно.
Метою даної лабораторної роботи є: 1) спостереження сигналу ЯМР на протонах води, 2) визначення магнітного моменту протона, 3) вимір індукції магнітного поля електромагніту.
Опис установки. Схема лабораторної установки наведена на рис.2.
1.Електромагніт призначений для створення постійного магнітного поля. Його харчування проводиться від джерела струму (ІП), що має високу стабільність, щоб сигнал ЯМР на екрані індикатора мав стійке положення.
2.Прібор Ш1-9 складається з двох блоків: генератора і індикатора. Він призначений для вимірювання індукції магнітного поля з високою точністю. В силу особливостей використовуваного для його роботи фізичного явища магнітне поле в місці розташування датчика повинне мати однорідність не гірше -4 см -1.
У генераторний блок входить високочастотний генератор, виробок-Тива електромагнітні коливання амплітудою до 1 В і частотою від 1 до 30 МГц. Високочастотна (ВЧ) котушка коливального контуру винесена за межі генераторного блоку на відрізку радіочастотного кабелю і оформлена у вигляді датчика. Усередині котушки (її висновки відзначені цифрами 1. 2 на рис.2) поміщається діамагнітне речовина, ядра якого мають магнітним моментом.
Шляхом зміни частоти генератора можна домогтися рівності частоти радіочастотного поля з частотою прецесії магнітних моментів ядер і створити умови для резонансного поглинання енергії радіочастотного поля, якщо задовольнити рівність (10). Поглинання енергії (зниження добротності контуру) виявляється і реєструється блоком індикатора.
Ч
об мати можливість спостерігати сигнал ЯМР візуально на екрані осциллографической трубки, застосовують низкочастотную (НЧ) модуляцію постійного магнітного поля змінним з частотою 50 Гц і амплітудою до 5 мТл (рис.3, а). Висновки котушок модуляції відзначені цифрами 3. 4 (рис.2).
Модуляція здійснюється двома невеликими котушками, розташованими близько високочастотної котушки коливального контуру з діамагнітним зразком. Тоді двічі за період модуляції створюються резонансні умови і два рази з'являється сигнал поглинання на екрані осциллографического індикатора ( «пічки» 1 і 2), так як горизонтальна розгортка його виробляється з тієї ж частотою модуляції (рис.3, б). Підстроювання частоти ВЧ-генератора сигнали ЯМР виводяться в центр екрану ( «пічки» 3 і 4). У цьому положенні поле модуляції проходить через нуль і резонанс відбувається в постійному магнітному полі Вconst. величину якого потрібно виміряти.
Вимірювання. З метою полегшення пошуку сигналу ЯМР бажано знати приблизне значення індукції магнітного поля, яке можна отримати іншими, більш простими, але менш точними, методами вимірювань (наприклад, за допомогою міллівеберметра, як це робиться в роботі №337).
В іншому випадку пошук сигналу може виявитися занадто тривалим і трудомістким, так як його поява пов'язана з одночасним виконанням ряду умов. Для подолання цих труднощів в даній роботі пропонується градуйований графік електромагніту, з якого індукція визначається приблизно за величиною струму, що протікає.
1.Перевірте, чи всі вимірювальні прилади з'єднані так, як потрібно (див. Схему на рис.2).
2. До включення джерела живлення Б5-49 в мережу поставте на його кодових перемикачах 9,0 В і 100 мА (нульові установки виставляти не можна - це пов'язано з ризиком вивести прилад із ладу).
3.Включіте джерело живлення в мережу.
4. Встановити на кодовому перемикачі джерела напруга 59 В. Ознакою того, що джерело працює нормально, служить світіння індикатора «Режим стабілізації. Струм". При цьому умови джерело дає стабілізований струм 100 мА.
5.Вставьте датчик ЯМР №3 в зазор електромагніту, в гніздо алюмінієвого вкладиша. Призначення вкладиша таке. По-перше, він сприяє поліпшенню однорідності поля магніту, так як забезпечує паралельність його полюсних наконечників, по-друге, фіксує положення датчика в зазорі.
Згідно з інструкцією по експлуатації приладу Ш1-9 [7] датчиком №3 в третьому піддіапазоні частот можна вимірювати поля від 125 до 320 мТл. Як поглинає речовини цей датчик містить воду. Сигнал ЯМР спостерігається на ядрах водню - протонах. Спін ядра Н 1 дорівнює ½. Ядра іншого атома води, кисню, не дають сигналу ЯМР ні в цьому, ні в іншому діапазоні частот, оскільки магнітний момент ядра Про 16 дорівнює нулю. З цієї ж причини присутність кисню не заважає спостереженню резонансу на протонах.
6.Включіте в мережу обидва блоки вимірювача магнітної індукції. На блоці «Генератор» встановіть:
перемикач «Піддіапазон» - в положення 3,
перемикач «Рід роботи» - в положення «Ручний»,
клавішу «АПЧ» - в віджате положення,
ручкою «Модуляція» встановіть струм модуляції 10 мкА,
ручки «ВЧ» і «НЧ» - на максимум.
Положення інших ручок довільне.
7.Нажміте кнопку «Контроль» на блоці «Індикатор». На цифровому табло повинно висвітитися число 234,874. Наявність такого свідчення свідчить про нормальну роботу приладу Ш1-9.
8
.За градуювальним графіком електромагніту визначте, яке магнітне поле відповідає струму, що протікає через нього в даний момент. За допомогою клавіш «Налаштування» і ручки грубого регулювання частоти генератора виставте на табло значення індукції, близьке до знайденої за графіком величиною. Але сигнал ЯМР при цьому може і не з'явитися на екрані.
9 .Вращая ручку настройки частоти ВЧ-генератора і маніпу-лируя клавішами «1 - 64», знайдіть сигнал ЯМР, який на екрані має приблизно такий вигляд, як показано на рис.4. Він переміщається по екрану при обертанні ручок грубої і тонкої регулювань частоти, на відміну від шумів і перешкод, які при цьому залишаються на місці. За цією ознакою можна ідентифікувати навіть слабкий сигнал ЯМР.
10.Ручкой «Фаза» зведіть сигнали до накладення їх один на одного.
11.Ручкамі настройки частоти ВЧ-генератора вирівняйте центр сигналів ЯМР з вертикальною віссю екрану осцилографа (рис. 4, б).
12.Пронаблюдайте, як діють на сигнал ЯМР ручки управління «Модуляція», «НЧ» (підсилювач низької частоти), «ВЧ» (амплітуда вихідної напруги високочастотного генератора). При цьому зверніть увагу на показання стрілочного індикатора. Підберіть такий стан зазначених ручок управління, при якому спостерігається сигнал має найкращий вигляд. Відповідні оптимальному налаштуванні свідчення запишіть в таблицю.
13.Включіте частотомер. Перемикач «Час рахунки» встановіть на 10 -2 с. Частотомір показує частоту генератора ВЧ-коливань .
При натисканні кнопки «Контроль» на частотоміри, він повинен показувати 1000,010 4 Гц, що є ознакою його нормальної роботи.
14.Запішіте в таблицю індукцію магнітного поля і резонансну частоту, коли сигнал ЯМР знаходиться точно в центрі екрана (рис. 4, б).
15.Повторіте вимірювання В і при струмі електромагніту i 110; ... 190 мА через кожні 10 мА.
16.Перед тим як вимкнути прилади після закінчення всіх вимірювань, встановіть кодові перемикачі джерела живлення Б5-49 в початкове положення: 100 мА і 9,0 В. Тільки після цього вимкніть тумблер.
Обробка результатів вимірювань. 1.Вичісліте ставлення / В і знайдіть його середнє значення / В.
2. За формулою (3) обчисліть ядерний магнетон Бора, використовуючи для вхідних в неї величин табличні дані з довідника.
3.Із формули (10) визначте g-фактор протонів у воді.
4.вичісліть магнітний момент протона по формулі (2) і його проекцію на напрям зовнішнього магнітного поля В за формулою (4). Найбільше можливе значення В одно NgI. Саме це значення прийнято називати магнітним моментом ядра. яке наводиться в довідкових даних [4,2,3].
5.Нарісуйте схему розщеплення енергетичних рівнів протона в зовнішньому магнітному полі, подібну показаної на рис.1.
6.Установіте одиниці виміру всіх розрахованих Вами величин.
7.Постройте по Вашим вимірам графік залежності індукції поля від струму електромагніту. Порівняйте його з градуювальними графіком, запропонованим Вам в лабораторії. Чи є між ними різниця і в чому вона полягає?
1.У чому полягає явище ядерного магнітного резонансу?
2. Чому для спостереження ЯМР потрібно магнітне поле з високою однорідністю і стабільністю?
3.Зачем потрібно модулювати постійне магнітне поле змінним?
4. Чому при синусоїдальної модуляції сигнал ЯМР з'являється на екрані індикатора двічі протягом періоду модуляції? Що буде спостерігатися, якщо застосувати пилкоподібну модуляцію поля?
1.Сівухін Д.В. Загальний курс фізики: Атомна і ядерна фізика. М. Наука, 1986. Ч.1. §42.
2. Киттель Ч. Введення в фізику твердого тіла. М. Наука, 1978. С.593-603.
3.Попл Дж. Шнейдер В. Бернстейн Г. Спектри ядерного магнітного резонансу високого дозволу. М. Изд-во іноз. лит. 1962. С.14-17, 569.
4. Лабораторні заняття з фізики / Под ред. Л.Л.Гольдіна. М. Наука, 1983. С.604-612.
5. Козлов В.І. Загальний фізичний практикум. Електрика і магнетизм. М. Изд. МГУ, 1987. С.97.
6.Абрагам А. Ядерний магнетизм. М. Изд-во іноз. лит. 1 963.
7.Гюнтер Х. Введення в курс спектроскопії ЯМР. М. Світ, 1984.
Схожі роботи:
Ядерно-магнітний томографічний каротаж
Курсова робота >> Фізика
маючи електричний заряд, можуть володіти і определенниммагнітниммоментом. Імпульсний ЯМР заснований на властивостях. поверхневої і стає помітним, коли взаємодія протонів з поверхнею обмежена, наприклад, при лабораторних.
Магнітні властивості речовини (3)
магнітнихмоментов в зовнішньому магнітному полі. Магнітні. магнітні властивості речовин. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИМІР магнітної СПРИЙНЯТЛИВОСТІ Основні експериментальні методи определеніямагнітной. концентрації протонів. магнітної сприйнятливості).
Магнітне поле електричного струму
електронів, протонів. нейтронів і ін .; магнітні явища. з определеннимімагнітнимі властивостями. Магнітні явища грають. магнітниммоментом Pm і орбітальним Орбітальним магнітниммоментом Pm атома називається векторна сума орбітальнихr магнітнихмоментов.
несотворімості матерії. Діалектико-матеріалістичне визначення матерії спрямоване проти ототожнення поняття. заряду і магнітногомоментапротона - його формфактор, а також виявити електричну і магнітну поляризованого протона. тобто отримати.
одиниця енергії (а.е.е.): 1 а.е.е. = 931.5016 МеВ.] Магнітниемоментипротона і нейтрона відповідно рівні. де - ядерний. За відхилення α-частинок в електричному і магнітному полях був визначений їх питома заряд (рис.