Ядерно-магнітні властивості гірських порід

15. Явище ядерно-магнітного резонансу

Я́дерний магні́тний резона́нс (ЯМР) — це явище резонансного поглинання радіочастотних хвиль деякими ядрами атомів, що розміщені у зовнішньому магнітному полі. Найчастіше ЯМР досліди проводять на ядрах атомів водню, тобто на протонах, або на ядрах ізотопу вуглецю ¹³С. На базі ЯМР була розвинута ЯМР-спектроскопія, що дозволяє з великою точністю розрізняти ядра елемента за їхніми властивостями в різному оточенні в молекулі.

Ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядер. Ядра, які мають відмінний від нуля спін I, мають також пропорційний до нього магнітний момент.

,

де   — це гіромагнітне співвідношення ядра. При накладанні зовнішнього статичного магнітного поля B₀ енергія взаємодії ядерних магнітних моментів з полем

матиме лише дискретні значення. Це пов'язано з тим, що проекція спіну на вибраний напрямок у просторі (в даному випадку напрямок поля B₀) може приймати лише дискретні значення. В термодинамічній рівновазі заселеність енергетичних рівнів буде різною і визначатиметься згідно з розподілом Больцмана. В результаті система ядер, поміщена в статичне магнітне поле, отримує здатність до резонансного поглинання електромагнітних хвильрадіочастотного діапазону при переходах між енергетичними рівнями. Циклічна частота хвиль  , що поглинаються, пов'язана з різницею енергій між рівніями   відомим співвідношенням із квантової механіки

.

16. Фізичні основи методу ямр

Ядерно-магнітний метод (ЯММ) заснований на вивченні величин штучного електромагнітного поля, що утворюється в результаті взаємодії магнітного і механічного

моментів ядер хімічних елементів гірських порід із зовнішнім магнітним полем. Усі елементарні частинки та ядра хімічних елементів, окрім маси і порядкового номеру (заряду) , характеризуються величинами власного механічного моменту (спіну) J і магнітного моменту м, а також гіромагнітним відношенням γ , що являє собоювідношення магнітного моменту ядра до його спіну: γ= м/ J. Серед породоутворюючих елементів ефект ядерного магнетизму найбільш сильно виявляється для водню, оскільки ядрам атомів водню притаманне найбільше значення гіромагнітного відношення. Завдяки цьому їхню присутність вдається встановити в умовах свердловини. Ядерний магнетизм усіх інших елементів є занадто малим, аби його можна було застосовувати для вивчення розрізів свердловин. Тому при дослідженні гірських порід достатньо враховувати лише ядерну намагніченість протонів. В постійному зовнішньому магнітному полі на ядро, яке має власний магнітний момент, діє сила, що намагається розташувати момент ядра паралельно цьому полю. В той же час внаслідок дії механічного моменту ядра, що намагається зберегти положення власної вісі обертання, ядро буде прецесувати навколо напрямку зовнішнього поля з частотою ω, пропорційною напруженості поля З H , яка називається ларморовою частотою і складає біля 2 кГц: ω=γ*HЗ . Ядра водню з магнітними моментами м в зовнішніх магнітних полях намагаються орієнтуватися в напрямку вектора напруженості цього поля. Внаслідок цього виникає результуючий магнітний момент M (вектор ядерної намагніченості), що являє собою векторну суму елементарних магнітних моментів м. В природному магнітному полі Землі (МПЗ) сумарний вектор ядерної намагніченості 0 M буде спрямованим в напрямку вектору 0 H , але незначним за амплітудою, оскільки напруженість МПЗ є відносно малою величиною. Але, якщо на ядра елементів подіяти сильним магнітним полем (полем поляризації) напруженістю пол H , перпендикулярним до поля Землі 0 H , то ядра будуть орієнтуватися в напрямку сумарного поля, і сумарний вектор ядерної намагніченості M буде мати значну амплітуду, внаслідок узгодженої орієнтації переважної більшості елементарних магнітних моментів. При знятті поля поляризації ядра водню переорієнтовуються в напрямку вектора МПЗ, синхронно прецесуючи навколо нього протягом деякого часу (біля 2-х секунд) з ларморовою частотою. За кілька секунд відбувається втрата синфазності прецесій окремих елементарних магнітних моментів внаслідок взаємодії їх один з одним, і синхронна прецесія зникає. Проте цього часу цілком достатньо, аби зареєструвати сигнал і визначити частоту прецесії, що пов’язана з напруженістю МПЗ співвідношенням (91). Згодом, внаслідок хаотичного теплового руху атомів речовини, відбувається повне руйнування набутої ядерної намагніченості, і сумарний вектор ядерної намагніченості M прямує до свого початкового значення.