質(zhì)子磁力儀測定地磁場強度實驗

1、質(zhì)子磁力儀測定地磁強度實驗實驗?zāi)康模毫私赓|(zhì)子進動現(xiàn)象掌握質(zhì)子磁力儀測磁原理觀察不同溶液對共振信號的影響實驗重點：原子核在地磁場中的塞曼分裂實驗難點：精確計算共振頻率，提高測量精度實驗原理：a，質(zhì)子的自旋與自由狀態(tài)質(zhì)子帶正電，其自旋量子數(shù)為12,具有自旋磁矩，在沒有外場的狀態(tài)下，單個質(zhì)子自 旋的磁矩方向不確定，整個物體不顯磁性，只有當物體的質(zhì)子按照統(tǒng)一的方向排列是才顯出 磁性。質(zhì)子的轉(zhuǎn)動模型比較復(fù)雜，可以簡單的認為是帶點小球的轉(zhuǎn)動。b，外場作用下的質(zhì)子運動在外場作用下，質(zhì)子的運動會發(fā)生明顯的變化，關(guān)于在外場作用下物質(zhì)質(zhì)子的運動有兩如上圖，質(zhì)子的磁矩M在有外場的作用下，繞外場旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成質(zhì)子的進動，

2、這樣物質(zhì) 的總磁矩就會在外場方向體現(xiàn)，這樣就表現(xiàn)為一個總磁矩，物質(zhì)就有了磁性，但是有沿著外 場方向的磁矩，也有逆著外場方向的磁矩，而且這兩種磁矩方向相反，大小幾乎相等，所以 整個物質(zhì)對外還是不顯磁性。第二種解釋是量子力學(xué)的解釋：如上面說的，質(zhì)子的自旋量子數(shù)為12在外場的作用 下發(fā)生能級分裂，質(zhì)子的自旋磁矩分裂為兩個能級，高能級和低能級，高能級質(zhì)子的磁矩方 向與外場方向相反，低能級質(zhì)子的磁矩方向與外場方向相同，高低能及的粒子數(shù)滿足波爾茲 曼分布，低能級的粒子數(shù)要稍高于高能級的粒子數(shù)，整體上物質(zhì)不顯磁性。c，質(zhì)子進動的自由衰減一一弛豫過程在外磁場消失后，質(zhì)子的自旋狀態(tài)會發(fā)生改變，由原來的雙能級狀態(tài)

3、逐漸恢復(fù)到原來的 平衡狀態(tài)，這一過程為弛豫過程，這個過程遵循指數(shù)衰減，這樣過程中又有兩個子過程，一 個是縱向弛豫時間T1，一個是橫向弛豫時間T2, T1又稱晶格自旋弛豫時間，T2是自旋 自旋弛豫時間，這兩個弛豫過程都會使物質(zhì)的總磁矩衰減，最終歸于平衡狀態(tài)。如果在 沒有外場的質(zhì)子中突然加上外場，質(zhì)子就會以相同的過程由原來的平衡狀態(tài)變到雙能級的分 裂狀態(tài)。弛豫過程實際上是質(zhì)子與外界交換能量的過程，在撤去外場的時候，質(zhì)子通過自旋與外 界交換能量，最終回到平衡狀態(tài)。d，極化極化就是利用一種激勵方式，使質(zhì)子的取向趨于一致，通常有以下三種方式：直流極化， NMR極化，Overhauser效應(yīng)極化，本實驗屬

4、于第一種極化。首先在有地磁場的情況下，按照量子力學(xué)的原理，質(zhì)子已經(jīng)在沿著地磁場的方向上發(fā)生 了能級分裂，質(zhì)子的磁矩方向都平行或者反平行地磁場的方向，如下圖:B0當外加一個的磁場，方向垂直于地磁場，強度遠遠大于地磁場（100倍以上），以至于合 場強的方向也近似垂直于地磁場的方向，經(jīng)過一段時間，質(zhì)子將在新的場中獲得平衡，如下 圖所示：Bpe，質(zhì)子的進動此時如果以極快的速度將外加的極化場撤走，此時質(zhì)子的極化狀態(tài)還沒有來得及改變， 而外場又只有地磁場，且地磁場的方向又與磁矩的方向垂直，此時就會發(fā)生一種奇特的現(xiàn)象 拉莫爾進動（角動量+磁力距=進動），進動的角頻率與外加的地磁場成正比： = y B（1）因

5、為質(zhì)子旋磁比y = 2.67512 x 108SI，1nT = 10-9T，1Gs = 10-4T。所以（1）式還可表 P示為：B （ n T） = 2 3 . 4 8 f 5 H （2）f （ H Z = 4 2 5 7 B6 G（s ）故通過精確測定拉莫爾旋進的頻率，即可換算出地磁場強度B（nT），長春市區(qū)地磁場強度大約為54uT，即54000nT，共振頻率約為2.3kHz。儀器與裝置：質(zhì)子旋進磁力儀的基本結(jié)構(gòu)相同，包括探頭主要有以下幾個部分：信號調(diào)理采集與計算信號調(diào)理采集與計算極化電路探頭部分探頭部分：包含線圈和富含氫質(zhì)子的溶液，前置放大電路。極化電路：將線圈通以電流（約1A），使氫質(zhì)子沿水平方向極化。極化和信號接收切換電路示意圖極化場分布信號調(diào)理電路：包含寬帶濾波、窄帶濾波、高階低通濾