自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为:    

      (1)

其中：γ为粒子的旋磁比，为约化普朗可常数，B₀为稳恒外磁场。    

如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场，该电磁场的频率为ν，能量为:

      (2)

当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差ΔE时即：

      (3)

低能极上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。     [5]

1.    样品（sample）水：提供实验用的粒子，氢（H）核。

2.    永磁铁：提供稳恒外磁场,中心磁感应强度B₀约为0.55T。

3.    边限振荡器：产生射频场,提供一个垂直与稳恒外磁场的高频电磁场，频率。

4.    同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器，边限振荡器的频率由频率计读出。

5.    绕在永磁铁外的磁感应线圈：其提供一个叠加在永磁铁上的扫场。

6.    调压变压器：为磁感应线圈提供50周的扫场电压。

7.    频率计：读取射频场的频率。

8.    示波器：观察共振信号。    

图一 [5]

由公式（3）可知，为了实现核磁共振有两种实验方法：

1．固定外磁场B₀，调节高频电磁场频率ν，实现核磁共振，此为扫频法。

2．固定高频电磁场频率ν，调节外磁场B₀，实现核磁共振，此为扫场法。

本实验用的是第二种实验方法，即扫场法。

在本实验要测的一个物理量是氢质子的γ因子，由公式（3）可知，只要知道B₀，ν即可求得γ，B₀在实验设备中已标定（如0.55T），ν可由频率计测出。但是仅此，在本实验中γ是无法用实验求出的。因为本实验中两能级的能量差是一个精确，稳定的量。而实验用的高频振荡器其频率ν只能稳定在10³H_Z量级。其能量很难固定在这一值上。实际上等式(3) 在实验中很难成立。

为实现核磁共振，可在永磁铁B₀上叠加一个低频交变磁场B_mSinωt，即所谓的扫场（ω为市电频率50H_Z，远低于高频场的频率ν其约几十MH_Z），使氢质子两能级能量差 γh（B₀+B_mSin100πt）有一个连续变化的范围。我们调节射频场的频率ν，使射频场的能量进入这个范围，这样在某一时刻等式 =γ（B₀+B_mSin100πt）总能成立。（见图二）

图二

此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号。（见图二）

由上图可见，当共振信号非等间距时，共振点处的等式为 ν=γ（B₀+B_mSin100πt），B_mSin100πt未知。无法利用该等式求出γ值。

调节射频场的频率ν使共振信号等间距，共振点处 100πt=nπ, B_mSin100π ，此时的ν为共振信号等间距时的频率，由频率计读出。γ=2πν/B₀，γ值可求。（见图三）

图三

探测装置的工作原理:图一中绕在样品上的线圈是边限震荡器电路的一部分，在非磁共振状态下它处在边限震荡状态（即似振非振的状态），并把电磁能加在样品上,方向与外磁场垂直。当磁共振发生时，样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电路的Q值发生变化，振荡电路产生显著的振荡，在示波器上产生共振信号。     [5]

1．观察H (样品水)的核磁共振信号（记>9组数据和图形）

a.    将边限振荡器的“检波输出”接示波器的“CH1”端，置示波器的“方式”为CH1。

b.    将边限振荡器的“频率测试”端接多功能计数器的“输入A”。

c.    将边限震荡器盒上的样品小心地从永磁铁上的插槽放入永磁铁中。（注意不要碰掉样品的铜皮）

d.    将调压变压器插头接入220V市电插座，输出设为100V。

e.    打开边限振荡器电源开关，调节“频率调节”旋钮，使示波器上出现共振信号。

f.    调节调压变压器使其输出为50---100V中的某一值,保持该值不变，记下该值，调节边限振荡器的“频率调节”旋钮，观察示波器上共振波形的变化，任选三个不同的波形画下，记下相应的边限振荡器频率（由频率计读出，计小数点后三位）。

g.    调节“频率调节”旋钮，将共振信号调成不等间距，保持该频率不变（如频率不稳定可每次调回到该频率值），记下该频率值。

h.    改变调压器的输出电压VV), 观察示波器上共振信号的变化，任选三个不同的电压，画下相应波形，记下相应的V值。

i.    将共振信号调成等间距, 保持该频率不变, 记下该频率值。改变调压器的输出电压VV), 选三个不同的电压V画下相应波形，记下相应的V值。

j.    对以上共振信号波形随V，，变化的原因进行讨论。

2．测量H的因子和g因子：

a. 将样品放入永磁铁的磁场最强处（可左右移动边限振荡器铁盒，观察示波器上共振信号波形，当幅值最强波形尾波最多时样品即在磁场最强处）。记下此时盒边所对标尺的刻度值。

b.置示波器扫描时间为5ms/div,调节边线振荡器的“频率调节”旋钮使共振信号等间距（间隔为10ms）。

c.读频率计，记下此时的频率值。

d.将信号调离等间距重复以上b--c步骤（此步骤进行六次，求频率的平均值）。

e.记下永磁铁上的磁感应强度B值。

f.由公式计算g和因子。

3．测量F的因子和 g因子：

a.将样品换成F，并放在磁场最强处（放在上次记下的标尺刻度值处）。

b.重复第2项b---f各步骤。

4．改变样品在磁场中的位置，测出对应位置的磁感应强度B：

a.    把样品水放入磁场中，向右（左）移使其偏离中心位置,记下刻度值。

b.    使波形等间距，记下此时的频率值。

c.    改变三个不同位置，重复b。 [5]

<完>