Измерение индукции магнитного поля

МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Цель работы: Измерение индукции магнитного поля электромагнита методом ядерного магнитного резонанса, снятие зависимости индукции магнитного поля катушек Гельмгольца от силы тока, классификация веществ по их магнитным свойствам.

Приборы и принадлежности: электромагнит с кольцевыми катушками, измеритель магнитной индукции Ш1–1, частотомер, стабилизированный источник напряжения, реостат, амперметры.

Введение

В основу работы измерителя магнитной индукцииположено явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Как известно, протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер, имеют магнитный момент и момент импульса (механический момент). Магнитный момент ядра есть векторная сумма магнитных моментов составляющих его частиц, механический момент ядра является векторной суммой моментов импульса частиц в ядре. Отношение модулей векторов магнитного момента ядра и механического момента называется гиромагнитным отношением:

g = (1)

Электронная оболочка атома также обладает магнитным и механическим моментами, которые получаются путем суммирования магнитных и механических моментов всех электронов, входящих в электронную оболочку. Эти механические и магнитные моменты электронов складываются по квантовым законам. В некоторых атомах суммарный магнитный момент электронной оболочки оказывается равным нулю. Такие атомы, а также состоящие из них вещества называют диамагнитными. Магнитные моменты этих атомов при отсутствии магнитного поля обусловлены только магнитными моментами ядер.

Если атом диамагнитного вещества поместить в постоянное магнитное поле напряженностью , то его ядро будет вести себя подобно волчку в поле силы тяжести, т. е. его магнитный момент будет прецессировать вокруг направления вектора . Круговая частота прецессии w при этом пропорциональна напряженности магнитного поля:

w = g . (2)

Таким образом, измерив частоту прецессии wи зная g, можно определить величину напряженности, а затем и индукцию магнитного поля , которые в вакууме связаны соотношением: = m₀ (здесь m₀ – магнитная постоянная). Для воздуха это соотношение также можно считать приблизительно правильным.

Чтобы определить частоту прецессии ядер в магнитном поле, используют явление ядерного магнитного резонанса. Для этого ампулу с рабочим веществом (диамагнитной жидкостью, содержащей атомы водорода, лития или дейтерия) помещают в измеряемое магнитное поле. Ампула, заключенная в оправу, составляет основу датчика измерителя магнитной индукции. На ампулу намотана катушка, также находящаяся внутри оправы. Она в качестве катушки индуктивности включена в колебательный контур генератора высокой частоты. Силовые линии магнитного поля этой катушки перпендикулярны силовым линиям поля электромагнита.

Таким образом, ядра атомов оказываются одновременно в сильном постоянном магнитном поле, индукция которого измеряется в эксперименте, и в слабом переменном высокочастотном магнитном поле, частоту которого w _г можно плавно изменять. При приближении частоты высокочастотного магнитного поля к частоте прецессии угол между направлениями векторов и (угол прецессии) резко возрастает, ядра начинают интенсивно поглощать энергию высокочастотного магнитного поля. При равенстве частот прецессии и высокочастотного магнитного поля поглощаемая энергия максимальна. Явление резкого возрастания энергии, поглощаемой ядрами, при приближении частоты высокочастотного магнитного поля к частоте прецессии, называется ядерным магнитным резонансом.