质子磁力仪测定地磁场强度实验

1、质子磁力仪测定地磁强度实验实验目的：了解质子进动现象掌握质子磁力仪测磁原理观察不同溶液对共振信号的影响实验重点：原子核在地磁场中的塞曼分裂实验难点：精确计算共振频率，提高测量精度实验原理：a，质子的自旋与自由状态质子带正电，其自旋量子数为12,具有自旋磁矩，在没有外场的状态下，单个质子自 旋的磁矩方向不确定，整个物体不显磁性，只有当物体的质子按照统一的方向排列是才显出 磁性。质子的转动模型比较复杂，可以简单的认为是带点小球的转动。b，外场作用下的质子运动在外场作用下，质子的运动会发生明显的变化，关于在外场作用下物质质子的运动有两如上图，质子的磁矩M在有外场的作用下，绕外场旋转，构成质子的进动，

2、这样物质 的总磁矩就会在外场方向体现，这样就表现为一个总磁矩，物质就有了磁性，但是有沿着外 场方向的磁矩，也有逆着外场方向的磁矩，而且这两种磁矩方向相反，大小几乎相等，所以 整个物质对外还是不显磁性。第二种解释是量子力学的解释：如上面说的，质子的自旋量子数为12在外场的作用 下发生能级分裂，质子的自旋磁矩分裂为两个能级，高能级和低能级，高能级质子的磁矩方 向与外场方向相反，低能级质子的磁矩方向与外场方向相同，高低能及的粒子数满足波尔兹 曼分布，低能级的粒子数要稍高于高能级的粒子数，整体上物质不显磁性。c，质子进动的自由衰减一一弛豫过程在外磁场消失后，质子的自旋状态会发生改变，由原来的双能级状态

3、逐渐恢复到原来的 平衡状态，这一过程为弛豫过程，这个过程遵循指数衰减，这样过程中又有两个子过程，一 个是纵向弛豫时间T1，一个是横向弛豫时间T2, T1又称晶格自旋弛豫时间，T2是自旋 自旋弛豫时间，这两个弛豫过程都会使物质的总磁矩衰减，最终归于平衡状态。如果在 没有外场的质子中突然加上外场，质子就会以相同的过程由原来的平衡状态变到双能级的分 裂状态。弛豫过程实际上是质子与外界交换能量的过程，在撤去外场的时候，质子通过自旋与外 界交换能量，最终回到平衡状态。d，极化极化就是利用一种激励方式，使质子的取向趋于一致，通常有以下三种方式：直流极化， NMR极化，Overhauser效应极化，本实验属

4、于第一种极化。首先在有地磁场的情况下，按照量子力学的原理，质子已经在沿着地磁场的方向上发生 了能级分裂，质子的磁矩方向都平行或者反平行地磁场的方向，如下图:B0当外加一个的磁场，方向垂直于地磁场，强度远远大于地磁场（100倍以上），以至于合 场强的方向也近似垂直于地磁场的方向，经过一段时间，质子将在新的场中获得平衡，如下 图所示：Bpe，质子的进动此时如果以极快的速度将外加的极化场撤走，此时质子的极化状态还没有来得及改变， 而外场又只有地磁场，且地磁场的方向又与磁矩的方向垂直，此时就会发生一种奇特的现象 拉莫尔进动（角动量+磁力距=进动），进动的角频率与外加的地磁场成正比： = y B（1）因

5、为质子旋磁比y = 2.67512 x 108SI，1nT = 10-9T，1Gs = 10-4T。所以（1）式还可表 P示为：B （ n T） = 2 3 . 4 8 f 5 H （2）f （ H Z = 4 2 5 7 B6 G（s ）故通过精确测定拉莫尔旋进的频率，即可换算出地磁场强度B（nT），长春市区地磁场强度大约为54uT，即54000nT，共振频率约为2.3kHz。仪器与装置：质子旋进磁力仪的基本结构相同，包括探头主要有以下几个部分：信号调理采集与计算信号调理采集与计算极化电路探头部分探头部分：包含线圈和富含氢质子的溶液，前置放大电路。极化电路：将线圈通以电流（约1A），使氢质子沿水平方向极化。极化和信号接收切换电路示意图极化场分布信号调理电路：包含宽带滤波、窄带滤波、高阶低通滤