质子磁力仪与质子旋进磁力仪

3．2．1　质子磁力仪与质子旋进磁力仪

质子磁力仪使用的工作物质(探头中)又有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。从宏观看水是逆磁性物质，但其各个组成部分磁性不同。水分子中的氧原子核不具磁性，它的电子，其自旋磁矩都成对的相互抵消了，而电子的运动轨道又由于水分子间的相互作用被封固。当外界磁场加进来时，因磁感应作用，各轨道电子的速度略有改变，因而显示出水的逆磁性。此外，水分子的氢原子核(质子)有自旋产生的磁矩，在外加磁场的影响下逐渐转到外磁场方向。这就是逆磁性介质中的核子顺磁性。当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则的任意指向，不显现宏观磁矩。若在垂直于地磁场T的方向，加一强人工磁场H，则物质中的质子磁矩将沿人工磁场方向排列起来，此过程称为极化。然后，切断磁场H，则地磁场对质子有一力矩作用，试图将质子拉回到地磁场的方向。由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩将绕地磁场的方向做旋进运动(拉莫尔旋进)。

设有一强磁场，其方向垂直于我们想要观测的地磁场的方向。氢原子核(质子)因自旋而有磁矩。当质子的磁矩被该强磁场极化时，质子就在垂直于地磁场方向的平面内旋进。而当极化磁场突然消失时，质子则在自旋惯性力和地磁场磁力的合力作用下绕地磁场方向旋进。此时，质子旋进的角速度(称为Larmor旋进频率)将与地磁场的总强度T成正比，即:

式中:γ_p是质子的回转磁比，即质子的磁矩与质子自旋角动量的比值，它的测定精度可达0．25×10^－4。由上式可见，只要测定ω，就可求得地磁场的总强度。而测定频率ω在技术上是比较容易达到很高的精度的，因而用质子旋进磁力仪测量磁场强度的精度也就与γ_p的精度相当。目前质子旋进磁力仪的灵敏度约为0．1nT。

质子(氢原子核)具有自旋性，自旋时每个原子核相当于一个微小的磁铁。正常条件下自旋轴没有一定方向，因此它们的各个磁场互相抵消，也就没有外部磁场;若按与地磁场成一角度或垂直的方向施加一个极化场，自旋轴就按所加极化场的方向排列起来，当极化场取消时，自旋着的原子核就像小陀螺一样，按地磁场的方向进行自旋，其自旋频率由那个地磁场的大小所确定。在质子旋进磁力仪里，质子的试样是一小瓶清水，或是富含氢原子的有机液体。试样的外面绕以线圈。由于质子是一个运动的电荷，当其旋进时，在线圈中就感应产生随旋进频率的变化而变化的交变电压。准确测定交变电压的频率f，就可由下式

求得地磁场的总强度T，因为2π/γ_p是个常数，

质子旋进磁力仪的优点是不需调水平及方位，因而适用的范围广，特别是海上与航空地磁测量;缺点是不能连续观测。