Determinarea momentului magnetic al protonului
Dispozitive și accesorii: electromagnet EM-1, alimentare de curent continuu B5-49, inducție magnetică Ш1-9, contor de frecvență Ч3-44, ampermetru de curent continuu.
Introducere. Câmpul magnetic este creat în mediu, nu numai curentul electric care curge prin fir, ci și mișcarea particulelor încărcate din interiorul atomilor si moleculelor precum și propriile lor momente magnetice ale electronilor și nucleelor. Conform ideilor moderne proprii substanță magnetism din cauza a trei factori: 1) mișcarea orbitală a electronilor în jurul nucleului, 2), momentul magnetic intrinsec de electroni, 3), momentul magnetic intrinsec al nucleelor. Lucrarea de față este dedicată studiului fenomenului din urmă.
Indicăm momentul magnetic al nucleului. Mărimea sa nu depinde de câmpul magnetic extern în care este localizată substanța care conține asemenea nuclee. Direcția vectorului momentului magnetic coincide cu direcția momentului unghiular. Coeficientul de proporționalitate se numește raportul gyromagnetic
În conformitate cu teoria cuantică, magnitudinea momentului magnetic al nucleului este determinată de următoarea formulă:
unde g este factorul g (citit ca factorul x), care este determinat experimental,
I este un număr întreg sau jumătate întreg, numit de obicei numărul spinului cuantic al nucleului (sau pur și simplu spinul nuclear). Spinul depinde de numerele de masă și încărcare ale nucleului.
N este magnetonul nuclear Bohr.
e este sarcina protonului (este egală cu sarcina elementară),
este constanta lui Planck împărțită la 2π.
Datorită influenței unui câmp magnetic extern cu inducție, momentul magnetic nuclear este orientat într-un anumit mod. După cum rezultă din teoria cuantică, sunt posibile orientări în care proiecția momentului magnetic pe direcția câmpului magnetic extern este determinată de următoarea relație:
unde m este un întreg (pentru întregul eu) sau jumătate întreg (pentru I jumătate întreg). Setul de valori posibile ale m este dat de condiție
În Fig. 1a, vom arăta posibile orientări în câmpul magnetic extern al momentului magnetic al nucleului, care are o spinare jumătate integrantă I = 3/2 și, de asemenea, proiecția sa pe direcția câmpului. În acest exemplu, m = -3/2; -1/2; +1/2; +3/2 (diferența dintre valorile învecinate este întotdeauna una).
Interacțiunea momentului magnetic al nucleului cu câmpul extern conduce la apariția de energie suplimentară
unde B este proiecția momentului magnetic pe direcția câmpului.
T
Ca o proiecție a momentului magnetic, în conformitate cu formula (4), poate lua un număr de valori discrete. atunci nivelul de energie al nucleului se împarte în câmpul magnetic cu același număr de subsoluri (fig.1, b).
Diferența dintre valorile energetice dintre două subsoluri vecine este
Transferul miezului de la nivelurile inferioare de energie la cele mai înalte necesită cheltuieli de energie electromagnetică și apare sub influența unui câmp extern de radiofrecvență cu o frecvență adecvată . satisfacerea condiției
Fenomenul de absorbție a energiei câmpului electromagnetic, care conduce la excitația tranzițiilor între nivelele energetice ale momentului magnetic al nucleului într-un câmp magnetic constant, se numește rezonanță magnetică nucleară (NMR).
Așa cum se poate observa din formula (10), frecvența absorbției prin rezonanță a energiei radiației de înaltă frecvență este proporțională cu inducerea unui câmp magnetic constant. Acest fapt este folosit pentru măsurarea cea mai precisă a inducției magnetice în prezent. Precizia ridicată este realizată datorită faptului că tehnica de măsurare a frecvenței oscilațiilor electromagnetice a atins o perfecțiune excelentă, iar procesul de măsurare este destul de simplu și de fiabil.
Scopul acestei lucrări de laborator este: 1) observarea semnalului RMN pe protonii de apă, 2) determinarea momentului magnetic al protonului, 3) măsurarea inducției câmpului magnetic al electromagnetului.
Descrierea instalației. Schema instalației de laborator este prezentată în Fig.
1. Electromagnetul este proiectat pentru a crea un câmp magnetic permanent. Puterea sa este furnizată dintr-o sursă de curent (IP) cu o stabilitate ridicată, astfel încât semnalul RMN de pe ecranul indicator are o poziție stabilă.
2. Aparatul Ш1-9 constă din două blocuri: generatorul și indicatorul. Este proiectat pentru a măsura inducerea unui câmp magnetic cu o precizie ridicată. Datorită particularităților fenomenului fizic utilizat pentru funcționarea sa, câmpul magnetic la locația senzorului trebuie să aibă o uniformitate nu mai mică de -4 cm -1.
Unitatea generatorului include un generator de înaltă frecvență care generează oscilații electromagnetice cu o amplitudine de până la 1 V și o frecvență de 1 până la 30 MHz. Bobina de înaltă frecvență (HF) a circuitului oscilator este mutată din blocul de generare pe secțiunea de cablu de frecvență radio și formată ca un senzor. În interiorul bobinei (terminalele sale sunt marcate cu numerele 1. 2 din figura 2), este plasată o substanță diamagnetică, ale cărei nuclee au un moment magnetic.
Prin modificarea frecvenței oscilatorului poate realiza egalitatea de frecvență a câmpului RF cu o frecventa de precesie a momentelor magnetice ale nucleelor și de a crea condițiile necesare pentru absorbția de rezonanță a câmpului de energie de radiofrecvență dacă ecuația astâmpăra (10). Absorbția energiei (reducerea factorului de calitate al circuitului) este detectată și înregistrată de unitatea indicator.
B
Pentru a se putea observa vizual semnalul RMN la utilizat joasă frecvență (LF) de modulare tub de afișare oscilografice a unui câmp magnetic constant, cu o frecvență variabilă de 50 Hz și o amplitudine de până la 5 mT (Figura 3a). Ieșirile bobinelor de modulație sunt marcate cu numerele 3. 4 (figura 2).
Modularea este efectuată de două bobine mici situate în apropierea bobinei de înaltă frecvență a circuitului oscilant cu o probă diamagnetică. Apoi, de două ori pe o perioadă de modulare a condițiilor de rezonanță și sunt de două ori apare semnalul de absorbție pe ecranul de afișare oscilografice ( „vârfuri“ 1 și 2), din moment ce scanarea sa orizontală se realizează cu aceeași frecvență de modulație (figura 3, b). Prin reglarea frecvenței generatorului RF, semnalele RMN sunt trimise către centrul ecranului ("vârfuri" 3 și 4). În această poziție, câmpul de modulație trece prin zero și rezonanța apare într-un câmp magnetic constant Bconst. a căror valoare trebuie măsurată.
Măsurarea. Pentru a facilita căutarea semnalului RMN este de dorit să cunoască valoarea aproximativă a inducției magnetice, care pot fi obținute prin alte, mai simple, dar mai puțin precise metode de măsurare (de exemplu, prin millivebermetra, așa cum se face în №337).
În caz contrar, căutarea unui semnal poate fi prea lungă și consumatoare de timp, deoarece apariția acestuia este asociată cu îndeplinirea simultană a mai multor condiții. Pentru a depăși aceste dificultăți, propunem în această lucrare un grafic de calibrare a electromagnetului, de la care se determină inducția aproximativ prin magnitudinea curentului curge.
1. Verificați dacă toate instrumentele de măsurare sunt conectate conform cerințelor (vezi diagrama din figura 2).
2.Pentru a porni sursa de alimentare B5-49 în rețea, puneți comutatoarele de coduri de 9,0 V și 100 mA (setările zero nu pot fi setate - acest lucru este asociat cu riscul de dezactivare a dispozitivului).
3. Conectați sursa de alimentare la rețea.
4. Setați comutatorul codului sursă la 59 V. Indicația că sursa funcționează normal este lampa indicatoare "Mod de stabilizare". Curent ». În această condiție, sursa oferă un curent stabilizat de 100 mA.
5. Introduceți senzorul RMN nr. 3 în gaura electromagnetului, în soclul inserției din aluminiu. Scopul căptușelii este următorul. În primul rând, ajută la îmbunătățirea uniformității câmpului magnetului, deoarece asigură paralelismul pieselor de pol și, în al doilea rând, fixează poziția senzorului în spațiul gol.
Conform manualului de instrucțiuni al dispozitivului Ш1-9 [7], senzorul №3 din a treia sub-bandă de frecvențe poate măsura câmpurile de la 125 la 320 mT. Ca absorbant, acest senzor conține apă. Semnalul RMN este observat pe protoni nucleari de hidrogen. Spinul kernelului H1 este ½. Nucleul altui atom de apă, oxigen, nu dă un semnal RMN nici în acest domeniu, nici într-un alt domeniu de frecvență, deoarece momentul magnetic al nucleului O 16 este zero. Din același motiv, prezența oxigenului nu interferează cu observarea rezonanței asupra protonilor.
6. Includeți ambele blocuri ale contorului magnetic de inducție în rețea. În blocul "Generator", setați:
comutatorul "sub-interval" - în poziția 3,
comutatorul "Tip de lucru" - la poziția "Manuală"
tasta "APCH" - în poziția presată,
Cu butonul de modulare, setați curentul de modulație la 10 μA,
mânerele "HF" și "LF" - la maxim.
Poziția celorlalte pixuri este arbitrară.
7. Faceți clic pe butonul "Control" de pe blocul "Indicator". Tabloul de bord numeric ar trebui să afișeze numărul 234.874. Prezența unei astfel de indicații indică funcționarea normală a dispozitivului S1-9.
8
.Conform diagramei de calibrare electromagnet, determinați ce câmp magnetic corespunde curentului care trece prin el în acest moment. Folosind tastele "Setări" și butoanele pentru controlul frecvenței grosiere ale generatorului, setați placa de inducție aproape de valoarea găsită pe grafic. Dar semnalul RMN poate să nu apară pe ecran.
9. Rotiți butonul de reglare a frecvenței generatorului RF și manipulați tastele "1 - 64", găsiți semnalul RMN, care pe ecran are aproximativ același aspect ca cel prezentat în Fig. Se deplasează în jurul ecranului în timp ce rotește butoanele de reglare a frecvenței fine și fine, spre deosebire de zgomotul și interferențele care rămân în loc. Pe această bază, poate fi identificat chiar și un semnal slab RMN.
10. Folosiți butonul "Phase" pentru a lumina semnalele înainte de a le suprapune.
11. Butoanele de reglare a frecvenței generatorului RF combină centrul semnalelor RMN cu axa verticală a ecranului osciloscopic (fig.4, b).
12. Urmăriți modul în care butonul de comandă "Modulation", "LF" (amplificator de joasă frecvență), "HF" (amplitudinea tensiunii de ieșire a generatorului de frecvență înaltă) acționează asupra semnalului RMN. În acest caz, acordați atenție indicatorului indicator. Alegeți poziția butoanelor de comandă indicate, la care semnalul observat are cea mai bună formă. Corespunde setării optime a citirii din tabel.
13.Închideți contorul de frecvență. Comutatorul "Timp de numărare" este setat la 10 -2 secunde. Contorul de frecvență arată frecvența oscilatorului HF .
Când apăsați butonul "Control" de pe contorul de frecvență, acesta ar trebui să afișeze 1000,0⋅10 4 Hz, ceea ce reprezintă un semn al funcționării sale normale.
14. Notați inducția câmpului magnetic și frecvența rezonantă în tabel, când semnalul RMN este exact în centrul ecranului (figura 4, b).
15.Reperează măsurătorile lui B și cu curentul electromagnetului i 110; ... 190 mA la fiecare 10 mA.
16. Înainte de a opri dispozitivele după terminarea tuturor măsurătorilor, setați comutatoarele codice ale sursei de alimentare B5-49 în poziția inițială: 100 mA și 9,0 V. Numai după aceasta opriți comutatorul de comutare.
Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor. 1. Calculați raportul / ï și găsiți valoarea medie / .
2. Folosind formula (3), calculați magnetonul nuclear Bohr, utilizând datele tabulare din director pentru cantitățile incluse în el.
3. Din formula (10) determinați factorul g al protonilor în apă.
4. Calculați momentul magnetic al protonului conform formulei (2) și proiecția lui pe direcția câmpului magnetic extern B prin formula (4). Cea mai mare valoare posibilă a B este NgI. Această valoare este denumită de obicei momentul magnetic al nucleului. care este dată în datele de referință [4,2,3].
5. Desenați o schemă pentru împărțirea nivelurilor de energie ale unui proton într-un câmp magnetic extern, similar cu cel prezentat în Fig.
6. Setați unitățile de măsură pentru toate valorile calculate.
7. Construiți în funcție de măsurătorile dvs. graficul dependenței inducției de câmp de curentul electromagnetului. Comparați-l cu programul de calibrare oferit în laborator. Există o diferență între ei și ce este?
1. Care este fenomenul de rezonanță magnetică nucleară?
2. De ce RMN necesită un câmp magnetic cu omogenitate și stabilitate ridicată?
3. De ce este necesar să modulați un câmp magnetic constant cu variabile?
4.De ce cu modulația sinusoidală, semnalul RMN apare de două ori pe ecranul indicator în timpul perioadei de modulație? Ce se va observa dacă se aplică modulul de tăiere a câmpului?
1. Sivukhin DV Curs general de fizică: fizica atomică și nucleară. M. Nauka, 1986. Partea 1. §42.
2. Kittel C. Introducere în fizica stării solide. M. Nauka, 1978. P.593-603.
3. Pople J. Schneider V. Bernstein G. Spectrele de rezonanță magnetică nucleară de înaltă rezoluție. M. Izd-vo inostr. Literatura. 1962. P.14-17, 569.
4. Exerciții de laborator în fizică / Ed. L.L.Goldina. M. Nauka, 1983, pp. 604-612.
5. Kozlov V.I. Practica fizică generală. Electricitate și magnetism. M. Izd. Universitatea de Stat din Moscova, 1987. p.97.
6. Abraham A. Nuclear Magnetism. M. Izd-vo inostr. Literatura. 1963.
7. Günter H. Introducere în cursul spectroscopiei RMN. M. Mir, 1984.
Arta similara:
Tomografia magnetică nucleară
Curs de lucru >> Fizica
având o sarcină electrică, poate avea, de asemenea, un anumit moment magnetic. NMR pulsat se bazează pe proprietăți. suprafața și devine vizibil atunci când interacțiunea dintre protoni și suprafața este limitată, de exemplu, în laborator.
Proprietăți magnetice ale substanței (3)
momente magnetice într-un câmp magnetic extern. Magnetic. proprietățile magnetice ale substanțelor. MĂSURAREA EXPERIMENTALĂ A SUSCEPTIBILITĂȚII MAGNETICE Principalele metode experimentale de determinare a caracteristicilor magnetice. concentrația de protoni. susceptibilitatea magnetică).
Câmpul magnetic al curentului electric
electroni, protoni. neutroni, etc; fenomenele magnetice. cu anumite proprietăți magnetice. Fenomenele magnetice joacă. momentul magnetic Pm și momentul magnetic orbital Pm al unui atom este suma vectorială a momentelor orbitale magnetice.
ireductibilitatea materiei. Definiția dialectico-materialistă a materiei este îndreptată împotriva identificării conceptului. încărcarea și momentul magnetic al protonului - factorul său de formă, precum și pentru a detecta polarizabilitățile electrice și magnetice ale protonului. și anume obține.
unitatea de energie (ae): 1 au = 931.5016 MeV.] Momentele magnetice ale protonului și neutronului sunt, respectiv, egale. unde este nuclear. Abaterea particulelor α în câmpurile electrice și magnetice a determinat sarcina lor specifică (Fig.