在本实验的装置中哪部分是测量体系

Ⅰ 现代实验室系统包括哪些部分各有何作用和要求

实验室根据使用情况不同，里面所需要的功能跟系统都会有所要求的，参考以下实验室系统的详细介绍：
一、实验室通风系统：实验室通风系统与室内空调系统的通风设计的要求不同，主要的目的是提供安全、舒服的工作环境，减少人员暴露在危险的空气下，通风主要的目是解决实验人员的身体健康和劳动保护问题。
二、实验室建筑空调与洁净系统：实验室建筑与普通的建筑是有区别的，不同的实验室对温度、温度、压强、洁净度等参数有不同的要求，而且不同的实验室之间的气流不能交叉污染，实验区的气流不能流向办公区，因些实验建筑空调系统的要求比普通建筑的要求复杂很多，按布置方式不同可分为分散型空调系统、集中型空调系统及局部集中型空调系统。
三、实验室环保系统：在化学实验室进行实验时会使用化学药品，实验过程中发生的化学反应会产生废气、废液、固体废物，对环境造成污染。近年来，随着人们环保意识和法律意识的增强，化学实验室的污染问题备受关注。为了降低实验室对环境的污染，应把实验室环保系统纳入实验室设计与建设中，从而有利于实验室环境污染的防预措施，在保证实验效果的前提下，用无害、没有污染或低害、低亏染的试剂替代毒性较强的试剂，在一些特定实验要用到较高的化学试剂时，一定要用封闭的收集桶收集废液。
四、实验室气体管道系统：实验室的气体的供应不同于一般工厂的要求，首先表现在仪器设备对气体的纯度要求较高，一般工作气体要求达到99.999%以上，其次气体的供应连续，输出压力平稳，气体的压力波动可能导致仪器设备没有办法正常工作，气体的不连续供应甚至可能导致仪器设备故障，因此实验室气体管路的设计是较为严格的。
五、实验室给排水系统：包括实验给水系统、生活给水系统和消防给水系统。实验给水系统分为一般实验用水与实验用纯水，实验室纯水系统属于单独的给水系统，生活给水系统和消防给水系统与一般建筑的给水系统一致。
不同的实验室对实验用水有不同的要求，通常进行强酸、强碱、剧毒液体的实验并有飞溅爆炸的实验室，就近设置应急喷淋施，应急眼睛冲洗器。无菌室和放射性实验室配热水淋浴装置。
污染区的用水需要通过断流水箱，室内消火栓应设置在清洁区内，给水系统的管道入口通常应设置洁净区，采用上行下给式给水管网，以免扩散污染。
室内消防给水系统包括普通消防系统、自动喷洒消防给水系统和水幕消防给水系统等。实验楼，库房等建筑物在必要时应设立室外消防给水系统，由室外消助给水管道。
六、实验室纯水系统：在当今的实验室中，水环境作为绝大数实验室的基本环境，在实验中占的地位非常重要，水质往往决定了很多实验结果的真实性、可重复性，对多数做实验的专家来说，他们通常要纯水中的杂质和化合物的浓度在b级，甚至更低。

七、实验室供电系统：实验室建筑内部有各种类型的实验室及仪器设备，供电系统除了维持实验室特定的环境用电外，还要满足现有及未来增加的各种仪器的特殊用电要求，对于离心机、层析冷柜、低温冰箱带压缩机之类的仪器，它们]的电机启动所需要的电流往往是工作电流的数倍，在启动瞬间往往会影响该线路的电压波动，如果接在该线路上所用的大功率仪器较多，就会引起仪器工作不正常。
所以，对实验建筑供电系统的设计，除了要预留足够的富余电量以满足未来发展的需要，还需要提供不间断的稳压电源，基于实验室的与众不同，实验室建筑的供电系统从电源、线路、照明、安全等各方面都有其独特性实验建筑的用电量通常是现有用电量的2倍。

八、实验建筑智能化系统：实验室智能化不仅是一种技术，更是一种理念，一种潮流，它是将实验室世界带入一个崭新的时候 ，改变人们观念，影响人们的工作方式，实验建筑智能化系统包括楼宇自控系统，信息管理系统，办公自动化系统，综合布线系统，安全防范系统，火灾自动报警系统和停车场管理系统。
九、实验室安全防护系统：实验室是科技的摇篮，实验室安全防护系统是保证实验室安全的前提条件，是为了将实验室潜在的职业危险降至较低，以创造健康安全的工作环境。保护对象包括人员的安全、样品的安全、仪器的安全、运行系统的安全及环境的安全、实验室安全防护系统包括实验室硬件建设与软件管理。
十、实验室管道系统：实验建筑内有各种共用设施管道很多，在一般小型实验室内常见的管道有水管、风管、电线管和煤气管，在大型实验室或特殊实验室内还有压缩空气、蒸汽、氢气、氧气、真空、蒸馏水、空调、网络等管道，管道系统的布置原则是既要保证使用安全，方便安装，检修、改装和增添，又要尽量使各种管线短捷经济合理和美观。

Ⅱ 请教一下质量体系管理中 监视和测量装置的A、B、C类

国家强制的，或非常关键参数为A；关键过程控制参数，对产品影响较大的，为B；C类是非关键参数，但也需要进行监测统计的定为C。

Ⅲ 物理化学答案第三版

思考题
实验一 燃烧热的测定

1. 在本实验中，哪些是系统？哪些是环境？系统和环境间有无热交换？这些热交换对实验结果有何影响？如何校正？

提示：盛水桶内部物质及空间为系统，除盛水桶内部物质及空间的热量计其余部分为环境，系统和环境之间有热交换，热交换的存在会影响燃烧热测定的准确值，可通过雷诺校正曲线校正来减小其影响。

2. 固体样品为什么要压成片状？萘和苯甲酸的用量是如何确定的？

提示：压成片状有利于样品充分燃烧；萘和苯甲酸的用量太少测定误差较大，量太多不能充分燃烧，可根据氧弹的体积和内部氧的压力确定来样品的最大用量。

3. 试分析样品燃不着、燃不尽的原因有哪些?

提示：压片太紧、燃烧丝陷入药片内会造成燃不着；压片太松、氧气不足会造成燃不尽。

4. 试分析测量中影响实验结果的主要因素有哪些? 本实验成功的关键因素是什么?

提示：能否保证样品充分燃烧、系统和环境间的热交换是影响本实验结果的主要因素。本实验成功的关键：药品的量合适，压片松紧合适，雷诺温度校正。

5. 使用氧气钢瓶和氧气减压器时要注意哪些事项？

提示：阅读《物理化学实验》教材P217-220

实验二 凝固点降低法测定相对分子质量

1. 什么原因可能造成过冷太甚？若过冷太甚，所测溶液凝固点偏低还是偏高？由此所得萘的相对分子质量偏低还是偏高？说明原因。

答：寒剂温度过低会造成过冷太甚。若过冷太甚，则所测溶液凝固点偏低。根据公式 和 可知由于溶液凝固点偏低，∆Tf偏大，由此所得萘的相对分子质量偏低。

2. 寒剂温度过高或过低有什么不好？

答：寒剂温度过高一方面不会出现过冷现象，也就不能产生大量细小晶体析出的这个实验现象，会导致实验失败，另一方面会使实验的整个时间延长，不利于实验的顺利完成；而寒剂温度过低则会造成过冷太甚，影响萘的相对分子质量的测定，具体见思考题1答案。

3. 加入溶剂中的溶质量应如何确定?加入量过多或过少将会有何影响？

答：溶质的加入量应该根据它在溶剂中的溶解度来确定，因为凝固点降低是稀溶液的依数性，所以应当保证溶质的量既能使溶液的凝固点降低值不是太小，容易测定，又要保证是稀溶液这个前提。如果加入量过多，一方面会导致凝固点下降过多，不利于溶液凝固点的测定，另一方面有可能超出了稀溶液的范围而不具有依数性。过少则会使凝固点下降不明显，也不易测定并且实验误差增大。

4. 估算实验测定结果的误差，说明影响测定结果的主要因素？

答：影响测定结果的主要因素有控制过冷的程度和搅拌速度、寒剂的温度等。本实验测定凝固点需要过冷出现，过冷太甚会造成凝固点测定结果偏低，因此需要控制过冷程度，只有固液两相的接触面相当大时，固液才能达到平衡。实验过程中就是采取突然搅拌的方式和改变搅拌速度来达到控制过冷程度的目的；寒剂的温度，寒剂温度过高过低都不利于实验的完成。

5. 当溶质在溶液中有解离、缔合、溶剂化和形成配合物时，测定的结果有何意义？

答：溶质在溶液中有解离、缔合、溶剂化和形成配合物时，凝固点降低法测定的相对分子质量为溶质的解离、缔合、溶剂化或者形成的配合物相对分子质量，因此凝固点降低法测定出的结果反应了物质在溶剂中的实际存在形式。

6. 在冷却过程中，凝固点测定管内液体有哪些热交换存在？它们对凝固点的测定有何影响？

答：凝固点测定管内液体与空气套管、测定管的管壁、搅拌棒以及温差测量仪的传感器等存在热交换。因此，如果搅拌棒与温度传感器摩擦会导致测定的凝固点偏高。测定管的外壁上粘有水会导致凝固点的测定偏低。

实验三 纯液体饱和蒸气压的测定
1.在停止抽气时，若先拔掉电源插头会有什么情况出现?

答：会出现真空泵油倒灌。

2. 能否在加热情况下检查装置是否漏气?漏气对结果有何影响?

答：不能。加热过程中温度不能恒定，气－液两相不能达到平衡，压力也不恒定。

漏气会导致在整个实验过程中体系内部压力的不稳定，气－液两相无法达到平衡，从而造成所测结果不准确。

3.压力计读数为何在不漏气时也会时常跳动?

答：因为体系未达到气－液平衡。

4. 克－克方程在什么条件下才适用?

答：克－克方程的适用条件：一是液体的摩尔体积V与气体的摩尔体积Vg相比可略而不计；二是忽略温度对摩尔蒸发热△vapHm的影响，在实验温度范围内可视其为常数。三是气体视为理想气体。

5.本实验所测得的摩尔气化热数据是否与温度有关？

答：有关。

6. 本实验主要误差来源是什么?

答：装置的密闭性是否良好，水本身是否含有杂质等。

实验四 双液系的气一液平衡相图的绘制

1．本实验在测向环己烷加异丙醇体系时，为什么沸点仪不需要洗净、烘干？

提示：实验只要测不同组成下的沸点、平衡时气相及液相的组成即可。体系具体总的组成没必要精确。

2．体系平衡时，两相温度应不应该一样？实际呢？怎样插置温度计的水银球在溶液中，才能准确测得沸点呢?

提示：两相温度应该一样，但实际是不一样的，一般将温度计的水银球插入溶液下1/3较好。

3．收集气相冷凝液的小槽体积大小对实验结果有无影响？为什么？

提示：有影响，气相冷凝液的小槽大小会影响气相和液相的组成。

4．阿贝折射仪的使用应注意什么？

提示：不能测定强酸、强碱等对仪器有强腐蚀性的物质。

5．讨论本实验的主要误差来源。

提示：影响温度测定的：温度计的插入深度、沸腾的程度等；影响组成测定的：移动沸点仪时气相冷凝液倒流回液相中、测定的速度慢等

实验五 二组分金属相图的绘制

1. 对于不同成分混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同？

答：纯物质的步冷曲线在其熔点处出现水平段，混合物在共熔温度时出现水平段。而平台长短也不同。

2. 作相图还有哪些方法？

答：作相图的方法还有溶解度法、沸点法等。

3. 通常认为，体系发生相变时的热效应很小，则用热分析法很难测得准确相图，为什么？ 在含Bi30%和80%的二个样品的步冷曲线中第一个转折点哪个明显？ 为什么？

答：因为热分析法是通过步冷曲线来绘制相图的，主要是通过步冷曲线上的拐点和水平段(斜率的改变)来判断新相的出现。如果体系发生相变的热效应很小，则用热分析法很难产生拐点和水平段。30%样品的步冷曲线中第一个转折点明显，熔化热大的Sn先析出，所以当发生相变时可以提供更多的温度补偿，使曲线斜率改变较大。

4. 有时在出现固相的冷却记录曲线转折处出现凹陷的小弯，是什么原因造成的？此时应如何读相图转折温度？

答：这是由于出现过冷现象造成的，遇到这种情况可以通过做延长线的方式确定相图的转折温度。

5. 金属熔融系统冷却时，冷却曲线为什么出现折点？纯金属、低共熔金属、及合金等转折点各有几个？曲线形状为何不同？

答：因为金属熔融系统冷却时，由于金属凝固放热对体系散热发生一个补偿，因而造成冷却曲线上的斜率发生改变，出现折点。纯金属、低共熔金属各出现一个水平段，合金出现一个折点和一个水平段。由于曲线的形状与样品熔点温度和环境温度、样品相变热的多少、保温加热炉的保温性能和样品的数量均有关系，所以样品的步冷曲线是不一样的。对于纯金属和低共熔金属来说只有一个熔点，所以只出现平台。而对于合金来说，先有一种金属析出，然后2种再同时析出，所以会出现一个折点和一个平台。

6. 有一失去标签的Sn－Bi合金样品，用什么方法可以确定其组成？

答：可以通过热分析法来确定其组成。首先通过热分析法绘制Sn－Bi的二组分相图，然后再绘制该合金样品的步冷曲线，与Sn－Bi的二组分相图对照即可得出该合金的组成。

实验六 原电池电动势的测定

1. 对消法测电动势的基本原理是什么? 为什么用伏特表不能准确测定电池电动势?

答：对消法就是用一个与原电池反向的外加电压，于电池电压相抗，使的回路中的电流趋近于零，只有这样才能使得测出来的电压为电动势。电动势指的就是当回路中电流为零时电池两端的电压，因而必须想办法使回路中电流为零。伏特表测定电池电动势的时候，回路中的电流不为零，测出的电池两端的电压比实际的电动势要小，因此用伏特表不能准确测定电池电动势。

2. 参比电极应具备什么条件？它有什么功用? 盐桥有什么作用? 应选择什么样的电解质作盐桥?

答：参比电极一般用电势值已知且较恒定的电极，它在测量中可作标准电极使用，在实验中我们测出未知电极和参比电极的电势差后就可以直接知道未知电极的电势。

盐桥起到降低液接电势和使两种溶液相连构成闭合电路的作用。作盐桥的电解质，应该不与两种电解质溶液反应且阴阳离子的迁移数相等，而且浓度要高。

3. 电动势的测量方法属于平衡测量，在测量过程中尽可能地做到在可逆条件下进行。为此，应注意些什么?

答：应注意电池回路接通之前，应该让电池稳定一段时间，让离子交换达到一个相对的平衡状态；还应该在接通回路之前先估算电池电动势，然后将电位差计旋钮设定未电池电动势的估算值，避免测量时回路中有较大电流。

4. 对照理论值和实验测得值，分析误差产生的原因。

答：原电池电动势测定结果的误差来源有很多：标准电池工作时间过长，长时间有电流通过，标准电动势偏离；盐桥受污染；饱和甘汞电极电势不稳定；未能将电位差计旋钮设定在待测电池电动势应有的大体位置，使待测电池中有电流通过等等。

5. 在精确的实验中，需要在原电池中通入氮气，它的作用是什么？

答：为了除去溶液中的氧气，以避免氧气参与电极反应，腐蚀电极等。

实验七 一级反应－蔗糖的转化

1. 配制蔗糖溶液时称量不够准确，对测量结果k有无影响? 取用盐酸的体积不准呢？

答：蔗糖的浓度不影响lnc=-kt + B的斜率，因而蔗糖浓度不准对k的测量无影响。H+在该反应体系中作催化剂，它的浓度会影响k的大小。

2. 在混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，我们将盐酸溶液加到蔗糖溶液里去，可否将蔗糖溶液加到盐酸溶液中？为什么？

答：不能。本反应中氢离子为催化剂，如果将蔗糖溶液加到盐酸溶液中，在瞬间体系中氢离子浓度较高，导致反应速率过快，不利于测定。

3. 测定最终旋光度时，为了加快蔗糖水解进程，采用60℃左右的恒温使反应进行到底，为什么不能采用更高的温度进行恒温？

答：温度过高将会产生副反应，颜色变黄。

4. 在旋光度的测量中，为什么要对零点进行校正？在本实验中若不进行校正，对结果是否有影响？

答：因为除了被测物有旋光性外，溶液中可能还有其他物质有旋光性，因此一般要用试剂空白对零点进行校正。本实验不需要校正，因为在数据处理中用的是两个旋光度的差值。

5. 记录反应开始的时间晚了一些，是否会影响到k值的测定？为什么？

答：不影响。不同时间所作的直线的位置不同而已，但k（所作直线的斜率）相同。

实验八 二级反应－乙酸乙酯皂化

1. 为什么实验用NaOH和乙酸乙酯应新鲜配制?

答：氢氧化钠溶液易吸收空气中二氧化碳而变质；乙酸乙酯容易挥发和发生水解反应而使浓度改变。

2. 为何本实验要在恒温条件下进行，而且CH3COOC2H5和NaOH溶液在混合前还要预先恒温？混合时能否将乙酸乙酯溶液倒入NaOH溶液中一半时开始计时？

答：（1）因为温度对电导有影响。（2）不能，应刚混合完开始计时。

3. 被测溶液的电导率是哪些离子的贡献?反应进程中溶液的电导率为何发生减少?

答：参与导电的离子有 、 和 。 在反应前后浓度不变， 的迁移率比 的迁移率大得多。随着时间的增加， 不断减少， 不断增加，所以，体系的电导率值不断下降。

4. 为什么要使两种反应物的浓度相等?

答：为了使二级反应的数学公式简化。

实验九 复杂反应－丙酮碘化

1. 实验时用分光光度计测量什么物理量？它和碘浓度有什么关系？

答：测量的是溶液的吸光度A；根据朗伯－比尔定律可知，在指定波长下，所测吸光度与I2溶液浓度成正比关系。

2. 本实验中，将CH3COCH3溶液加入盛有I2、HCl溶液的碘瓶中时，反应即开始，而反应时间却以溶液混合均匀并注入比色皿中才开始计时，这样操作对实验结果有无影响？为什么？

答：无影响。不同时间所作的直线的位置不同而已，但k（所作直线的斜率）相同。

3. 速率常数k与T有关，而本实验没有安装恒温装置，这对k的影响如何？所测得的k是室温下的k，还是暗箱温度时的k?

答：本实验整个过程是在室温下进行的，由于室温在短时间内变化幅度很小，故对k的影响不大。所测得的k是暗箱温度时的k。

实验十 溶液表面张力的测定(最大气泡压力法)

1. 用最大气泡压力法测定表面张力时为什么要读最大压力差？

提示：若读中间某个压力差值，不能保证每次读压力差对应大小相同气泡。

2. 为何要控制气泡逸出速率？

提示：气泡逸出速率会影响气泡的大小，近而影响压力差值的大小，因而要保证测定过程中气泡逸出速率恒定。

3. 本实验需要在恒温下进行吗？为什么？

提示：需要恒温，因为表面张力的大小受温度的影响。

4. 毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验有何影响?

提示：毛细管尖端若不与液面相切插入一定深度，会引起表面张力测定值偏小。

5. 哪些因素影响表面张力测定的结果？如何减小或消除这些因素对实验的影响？

提示：温度、气泡逸出速度、毛细管是否干净及毛细管的尖端是否与液面相切会影响测定结果。减小或消除这些因素引起误差的措施是：恒温、控制气泡逸出速率恒定、毛细管干净以及毛细管与液面相切。

实验十一 胶体制备和电泳

1. 电泳中辅助液起何作用，选择辅助液的依据是什么？

提示：辅液主要起胶体泳动的介质、电介质作用和与胶体形成清晰的界面易于观测等作用。选择的辅液不能与胶体发生化学反应，电导率与胶体相同等

2. 若电泳仪事先没有洗干净，内壁上残留有微量的电解质，对电泳测量的结果将会产生什么影响？

提示：可能改变ζ电势大小，甚至引起胶体的聚沉。

3. 电泳仪中不能有气泡，为什么？

提示：气泡会阻断电介质。

4. 电泳速率的快慢与哪些因素有关？

提示：电泳苏联与胶粒的大小、带电量、电压的大小及两电极的距离等因素有关。

实验十二 粘度法测定高聚物的相对分子质量

1. 粘度计毛细管的粗细对实验结果有何影响？

答：粘度计毛细管的过粗，液体流出时间就会过短，那么使用Poisuille公式时就无法近似，也就无法用时间的比值来代替粘度；如果毛细管过细，容易造成堵塞，导致实验失败。

2. 乌氏粘度计中的C管的作用是什么？能否去除C管改为双管粘度计使用？

答：C管的作用是形成气承悬液柱。不能去除C管改为双管粘度计，因为没有了C管，就成了连通器，不断稀释之后会导致粘度计内液体量不一样，这样在测定液体流出时间时就不能处在相同的条件之下，因而没有可比性。只有形成了气承悬液柱，使流出液体上下方均处在大气环境下，测定的数据才具有可比性。

3. 若把溶液吸到了乳胶管内对实验结果有何影响？

答：会使溶液浓度降低，导致测定的流出时间减小，从而使相对粘度测定值减小，影响实验结果。

4. 试列举影响准确测定的因素有哪些?

答：影响准确测定的因素有温度、溶液浓度、搅拌速度、粘度计的垂直度等。

5. 粘度法测定高聚物的摩尔质量有何局限性？该法适用的高聚物摩尔质量范围是多少？

答：粘度法是利用大分子化合物溶液的粘度和分子量间的某种经验方程来计算分子量，适用于各种分子量的范围。局限性在于不同的分子量范围有不同的经验方程。

Ⅳ 在燃烧热的测定实验中，那些是体系，哪些是环境实验过程中有无热损耗

有。体系：内筒水，氧弹，温度计，内筒搅拌器。环境：外筒水。

燃烧热是1摩尔物质专完全燃烧时所放出的热量。属在恒容条件下测得的燃烧热为恒容燃烧热（ov），恒容燃烧热这个过程的内能变化（δu）。在恒压条件下测得的燃烧热为恒压燃烧热（qp），恒压燃烧热等于这个过程的热焓变化（δh）。

热量的散失仍然无法完全避免，这可以是同于环境向量热计辐射进热量而使其温度升高，也可以是由于量热计向环境辐射出热量而使量热计的温度降低。因此燃烧前后温度的变化值不能直接准确测量，而必须经过作图法进行校正。

(4)在本实验的装置中哪部分是测量体系扩展阅读：

注意事项：

数据处理中用雷诺法校正温差，观测燃烧前后的一系列水温和时间的观测值误差，造成校正曲线的不准确，从开始燃烧到温度上升至室温这一段时间△t1内，由环境辐射和搅拌引进的能量所造成的升温,故应予扣除。

由室温升到最高点这一段时间△t2内，热量计向环境的热漏造成的温度降低，计算时必须考虑在内扣除不合适会造成误差。

Ⅳ 核磁共振测井物理基础与实验

（一）原子核磁矩

1.带电体的磁矩

我们知道，带电物体做闭合运动时具有磁矩（图5-38（a）），其定义为式中：i为电流，A；S为闭合面积，m²；n为电流方向成右手法则的面积单位矢量。

图5-38 微观粒子的磁矩

地球物理测井

可以证明，带正电荷q、以速度v做圆周运动的带电粒子体系（图5-38）的磁矩为

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上式中，P_L=r×mv为粒子的角动量。粒子的磁矩与角动量成正比，且方向一致。

具有磁矩的体系置于磁场B中，它将受到力矩L的作用：

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并且具有热能E：

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上两式说明，当M与B方向一致时，体系热能最低，最为稳定；当两者反平行时，热能最高，为非稳态平衡。

2.原子核的磁矩

原子核是带有Z个正电荷的带电粒子，且具有一定的自旋角动量。因此，原子核具有磁矩（图5-38（b）），原子核磁矩的表达式一般写为

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式中，ħ=h/2π=1.0546×10 J·s，h称普朗克常数；m_p=1.6726×10 kg为质子质量；P_I为以ħ为单位的核自旋角动量；系数g_I称为核回旋磁比率，简称G因子。

核的磁矩是原子核的重要属性之一。例如，对氢核（质子）g_p=5.586（≠2）；对中子（电荷为0）g_n=-3.826（≠0）。

式（5-11）也可写为

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其中

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称旋磁比。对H核γ=2.67519×10⁸（rad·T^-1·s^-1）。

3.氢核磁矩

原子核的磁矩可以通过核磁共振方法测量。实验发现，对偶A核（A是原子核质量数），角动量量子数为整数，其中偶-偶核（中子数N、电荷数Z都是偶数）I=0；奇A核，I为半整数。因此，对偶-偶核，其磁矩为零。

构成地表元素的核素，偶-偶核占有最大的含量；而对其他核，氢核的含量最多，它的信息最大。除此之外，还有以下诸原因：①氢元素是地下流体最显著的标识元素；②氢核的g因子（或旋磁比γ）在所有核素中为最大，理论表明对样品测量的灵敏度正比于γ^5/2；③可以通过共振除去其他核的影响。

（二）核磁共振实验和核磁共振现象

1.核磁共振现象

对核磁共振现象存在着两种理论解释方法：量子力学和经典电动力学。由于经典力学直观形象，可以解释大多数实验现象，工程应用中一般采用经典力学方法。

核磁共振现象，从微观机理讲是具有简并量子状态的粒子在磁场作用下简并度被解除的效应（Zeeman效应）。具有磁导率μ_I的核置于磁场B₀中，将获得附加的能量：

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式中：μ_I，Z是在B₀（Z）方向的投影。

由量子力学可知，μ_I，Z有I+1个值，E也有I+1个值：

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磁量子数m=I，…，-I。当m=I时，能量最低。例如，对H核，I=1/2，其能级分裂为两条，如图5-39所示。相邻能级差（Δm=1）：

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图5-39 在磁场B₀中H核的能级分裂

如果在垂直于均匀磁场B₀方向上再加一个强度较弱的高频磁场B₁，其频率满足

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即

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原子核会吸收高频磁场的能量，从而使核的取向发生变化，实现由较低能级向相邻较高能级的跃迁。在这里，ω₀称为共振频率或跃迁频率，它也是具有固有自旋角动量P_I的体系绕外加磁场B₀做高速旋转的拉莫尔进动频率。

2.核磁共振实验

核磁共振实验装置有连续波工作法（CW）和脉冲-傅里叶法（PF）。前者直接测量共振频率；后者测量样品吸收外部能量后发出的时域谱，再经过傅里叶变换转化为频谱。目前大都采用后一种工作方式。NMR工作方式原理如图5-40所示。

首先考虑NMR信号的数量级。①为克服电子对核的屏蔽作用，外加均匀磁场B₀需足够强，约1 T（1 T=10⁴ Gs）。当B₀=1.4 T时，由式（518），其共振频率MHz。它在无线电波谱段，核磁共振是低能量电磁波（无线电波）与物质相互作用的一种物理现象。②理论表明，受到磁化的粒子数服从玻尔兹曼分布：

图5-40 核磁共振简示图

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k=1.38054×10^-23J·K^-1为玻尔兹曼常数。在热平衡时，基态核素N₀∝e^（-E/kT）。

第一激发态核数N₁∝e^（-E，所以：

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当T=300 K及B₀=1 T时，ΔN≈7×10^-6 N₀。这是一个非常小的量，NMR信号正比于ΔN。

由图5-40样品置于强均匀磁场B₀中，使样品磁化，把射频场B₁（ω）以一个短而强的脉冲加到样品上（B₁⊥B₀），射频脉冲期间的射频频率满足核磁共振条件：ω=γB₀，样品会吸收高频磁场的能量而实现能级跃迁（吸能过程）。脉冲过后，样品会释放在高能级的能量（放能过程），在感应线圈上会产生一个“自由感应衰减”信号（FID），它是时间域函数。一般要求射频脉冲门成直角，且脉冲宽度τ很小。

在实验室条件下，通过傅里叶变换，得到样品频谱和纵向弛豫时间T₁等多种物理参数；而在测井中或其他工程中一般只测横向弛豫时间T₂。

利用NMR还可实现样品内部成像，即核磁共振成像（NMRI）技术。其基本原理由式（5-18）知，共振频率与外加磁场成正比。设置磁场为空间变量B₀（x，y，z），则样品的共振频率为ω₀（x，y，z）=γB₀（x，y，z），也是空间向量。激发不同频率，对应不同空间点信号，利用计算机相应存储器存储，即完成“空间编码”，重现成像。

（三）核磁共振宏观描述——布洛赫方程

核磁共振的宏观理论基于核磁共振现象的发现者布洛赫（Bloch）。该理论从磁化强度矢量M出发，是工程中最常用的理论。

磁化强度M定义为单位体积内所有磁矩的矢量和：

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其SI单位为A·m^-1。在没有加外磁场时，由于电子的屏蔽作用，单个核磁矩随机取向，〈μ_I〉=0，宏观上观察不到核的磁特性（5-41a）。当外加一静磁场B₀时，情况发生了变化，原子核被磁化，排列有序，产生磁化现象（图5-41b）。显然，M的取向与外加磁场B₀的方向一致。

图5-41 磁场中原子

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式中：κ为核磁化率。由统计力学可求：

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式中：N为单位体积自旋核数。

以平均磁矩〈μ〉表示磁化强度M的大小

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它正比于N，是工程中所关注的量。

布洛赫方程是描述磁化强度与磁场相互作用的微分方程。基于宏观电磁理论，在NMR中具有非常重要的意义。其向量形式：

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式中：M=（M_x，M_y，M_z）^T为磁化强度矢量。当只有均匀磁场B₀时，M=M₀；B=（B_x，B_y，B_z）^T为外加磁强强度；R=（1/T₂，1/T₁）为3×3阶弛豫矩对角方阵。

严格求解布洛赫方程是一项困难的工作，只能通过一些假定对问题进行简化。

1.当脉冲发射时

在其作用时间t_p内，弛豫时间T可忽略不计；在X方向施加射频磁场：B_x=2B₁cosωt，布洛赫方程为

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上式仍需进一步化简：①分解线偏振2B₁cosωt为两个相对反相旋转的圆偏振，且只考虑激发共振的一个圆偏振场；②实验室坐标系（L系）变换为以射频场频率ω绕Z轴旋转的旋转坐标系（R系）求解。在R系中，只有B₁作用，交变量消除，而γB₀=ω₀变为有效角频率（ω₀-ω）。布洛赫方程化为

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当达到共振时，ω₀-ω=0，由此得：

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由此得到，共振时，磁化强度M以ω₀绕Z轴进动。在旋转坐标系中，它以ω₁=γB₁的角频率在YZ平面上转动，称为章动（ω₁也称Rabi频率）。在脉冲作用时间t_p内，M与Z轴之间形成一个夹角，这个夹角称为脉冲偏转角，用θ表示。M的运动可比喻为在重力作用下旋转的陀螺（图5-42）。在NMR中，通常说90°脉冲即指把M从Z方面扳转到XY平面时所对应的时间。

2.脉冲作用过后

此时可以检测由样品发出的NMR信号，需考虑弛豫时间，布洛赫方程化为

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当扳转角θ₀=90°时，上式解为

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此结果表明，M一方面在XY平面绕Z轴以拉莫尔频率高速旋转（称旋进），并以T₂呈指数衰减；同时又以速率1/T₁回复到Z轴的初时值。图5-43表示了M的纵向和横向分量衰减示意图。在XY平面会接受到M进动产生的感应电流信号，即自由感应衰减信号（FID）。

图5-42 磁化强度M的“陀螺”运动

图5-43 M的弛豫恢复过程

自由感应衰减信号的弛豫时间是由于分子热运动以非辐射方式释放能量的过程而产生，它分为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫时间T₁称自旋转-晶格弛豫，它指M在恢复Z方向的磁化强度时，将自身的能量通过热能传递给周围环境；横向弛豫时间T₂也称自旋-自旋弛豫，它的能量交换是在体系内部进行的。测井中，受钻井空间和长线传输等实际问题的限制，测量的是横向弛豫时间T₂。

（四）物质的弛豫特性

存在三种影响T₁或T₂弛豫时间的NMR弛豫机理：即颗粒表面弛豫、梯度场中分子扩散引起的弛豫和体积流体进动引起的弛豫。

1.颗粒表面弛豫

流体分子在孔隙空间内不停地运动和扩散，在NMR测量期间扩散使分子有充分机会与颗粒表面碰撞。每次碰撞都提供了自旋弛豫的机会。当分子碰到颗粒表面，可能发生两种现象。首先，氢质子将核自旋能源传递给颗粒表面，使之与静磁场B₀重新线性排列（这对纵向弛豫T₁有贡献）。其次，氢质子可能产生不可逆的反相自旋，而对横向弛豫T₂有贡献。这些现象不是每次碰撞都发生，仅有发生的一种可能性。如图5-44（a）示出在孔隙中两个分子的运动路径，有一个自旋被弛豫前发生了几次碰撞。研究人员指出，在大部分岩石中，颗粒表面弛豫对T₁和T₂的影响最大。

在弛豫质子自旋方面，不是所有面都具有相同能力。顺磁离子如铁、锰、镍和铬等为特别有效的弛豫物质，只要它们存在就能够控制弛豫速度。砂岩通常含1%的铁，这使流体质子有效预见弛豫。碳酸盐岩的流体弛豫速率低于砂岩。在弛豫孔隙水方面，砂岩比碳酸盐岩的有效率高三倍。

在表面弛豫中，孔隙大小也起了重要作用。弛豫速度与质子碰撞表面的频率有关，也就与表面体积比（S/V）有关，见图5-44。在大孔隙中，碰撞发生次数少，其S/V小，因此弛豫时间相对长。同样，小孔隙的S/V大，弛豫时间短。

图5-44 颗粒表面弛豫

对于单个孔隙，核自旋激励按指数衰减。在T₂实验中，作为时间的函数，信号幅度随特性时间常数［ρ₂S/V］^-1衰减，于是：

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同样

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实验研究表明，表面弛豫机制与温度和压力无关。岩石中流体弛豫主要为颗粒表面弛豫，弛豫时间比（T₁/T₂）在1至2.5之间，通常为1.6。

岩石包括一系列不同尺寸的孔隙，每个孔隙具有自己的S/V。因而会有多个弛豫组分，总激励为来自不同孔隙信号之和，所以实测的T₂不是一个单值，而是T₂分布函数。所有孔隙体积之和等于岩石的流体体积——孔隙度。总信号正比于孔隙度，总衰减为反映孔隙尺寸分布的单个衰减之和。孔隙度和孔隙尺寸分布的测量是NMR解释的重要参数。

2.扩散弛豫

在梯度场中分子扩散造成的弛豫为扩散弛豫。

当静磁场中存在梯度时，分子运动能造成失相，导致T₂弛豫。T₁弛豫不受影响。当不存在梯度场时，分子扩散不会造成NMR弛豫。

图5-45中，开始CPMG脉冲序列，在90°脉冲期间一个分子位于A点。被扳倒到横向平面上之后，自旋开始以频率ω₀（A）进动，ω₀（A）为局域进动频率。但是，当它扩散时遇到缓慢变化的B₀，其进动频率慢慢改变。在T_E时它到达C点，此时发生自旋回波。如果点A和B间其进动快于点B和C，在T_E时其相位不能完全恢复。同时，其他分子沿其他方向运动，每个分子都有自己的进动过程。因此，T_E时的自旋重聚不完全。因为子运动是随机的，失相不可改变，故构成真T₂。由此扩散产生的T₂表示如下：

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图5-45 在梯度磁场中的分子扩散

NMR测井仪能产生明显的磁场梯度。例如，MRIL-C型仪器在整个采样区域内可产生近17×10^-4 T/cm的均匀梯度场。CMR仪的梯度场在采样区域内是变化的，梯度为20×10^-4 T/cm时仪器对扩散响应达峰值。

造成磁场梯度的另一个原因是颗粒物质与孔隙流体间的磁化率不同。岩石通常含1%的顺磁离子，颗粒磁化率典型值为χ_g=+10^-5 cgs/cm³。水和油为弱抗磁物，水的磁化率为χ_w=-0.72×10^-6 cgs/cm³。岩石中静磁场B₀的范围是：

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其中Δχ=χ_g-χ_w为磁化率差；ΔB₀为静磁场梯度。若B₀=500×10^-4 T，对典型的充满流体岩石，ΔB₀为0.005T/cm。内部磁场梯度也与磁场变化的距离R有关：

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R明显受控于孔隙几何形状，由于对孔隙几何形状知之甚少，所以很难估算内部梯度。岩石复杂的微观几何形状也对扩散本身有影响。故对于岩石，式（5-33）变得复杂但仍以不完全了解的方式变化。

CMPG法是已知的减小梯度场扩散影响的最好脉冲序列。使CPMG回波间隔达到极小可减小扩散对T₂弛豫的影响，使之到可忽略程度。对于间隔较近的脉冲，T₂主要为表面弛豫或体积弛豫。当采用大回波间隔，或者当扩散系数很高如气体或高温下的水和轻烃，扩散影响十分显著。

3.体积弛豫

即使颗粒表面和内磁场梯度不存在，在体积流体中也会发生弛豫。

对于水和烃，体积流体中的弛豫主要是邻近自旋随机运动产生的局部磁场波动造成的。

相邻原子核的局域磁场相当强，但快速的分子运动（多数为分子旋转）使该影响趋于平衡。通常，体积弛豫可以忽略。当一种流体被阻止进入与固体表面接触，体积弛豫就十分重要了。在水湿润性岩石中，水的弛豫主要是与颗粒表面碰撞造成的，因孔隙中心的小滴油或气则无法接近岩石表面，因此仅被体积弛豫。当水存在于很大孔隙中时，仅有少量水可接触表面（如碳酸盐岩中的孔洞），此时体积弛豫明显。

对于粘滞流体，即使它们构成湿润相，其体积弛豫也十分重要。在这种流体中，旋转是无效的，弛豫时间相对短。短的弛豫时间和扩散到颗粒表面能力的减弱使体积弛豫变得显著。所以，提高流体黏度缩短了体积弛豫时间。

当孔隙流体含有高密度顺磁离子氯、锰、铁、镍时，孔隙流体的体积弛豫也十分明显。例如，木质磺盐酸铬泥浆滤液中的铬离子减少了弛豫时间，因为电子自旋周围的局域场太强。

悬浮液中的细微粒子（在整个泥浆侵入带中都存在）也减少了流体体积弛豫时间，因为存在大量的流体分子可遇到的“悬浮”固体表面。

体积弛豫仅是一种流体特征，不受它所驻留地层的特性（如矿物或微观或几何形状）的影响。通常它受温度影响较大。在水湿润岩石中的油、孔洞中的水和溶液中存在大量顺磁离子如铁、铬或锰的情况下，这一点十分重要。当体积弛豫明显时，T₁=T₂。

4.弛豫过程小节

上述的弛豫过程并行作用，也就是说，它们的速率相加。对于横向弛豫：

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式中：为体积贡献；为表面贡献；为梯度场扩散贡献。

对于纵向弛豫，相应的等式为

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注意扩散对T₁无影响，因为该过程仅是一个失相机制。

（五）水、油、气弛豫特征

1.水的弛豫特征

在水润湿的碎屑岩中，水的弛豫时间为颗粒表面的弛豫所控制。弛豫速度与充满水的孔隙空间的比面和颗粒矿物成分有关。在下列环境下，水的弛豫时间受控于体积和扩散弛豫，仅知地层温度即可预测其值。这些环境是：①孔洞孔隙，孔隙比面很小；②严重油湿岩石；③含有高浓度顺磁离子如铁、铬的原生水或滤液。

为了评估扩散弛豫的重要性，必须知道水的扩散系数D。D基本上与压力无关，但受温度影响较大，如图5-46a所示。

对于不受固体表面弛豫影响的水而言，NMR弛豫速度为

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在体液中（也就是没有扩散限制），由式（5-33）得出。在岩石中，特别是细粒岩石，颗粒是扩散的明显屏障，有效扩散系数小于D，这使1/T_2D接近1/T_2B。另一方面，大于已知仪器梯度的内部梯度使1/T_2D增加。在缺乏更好资料情况下，使用纯流体D值和仪器G值可估算1/T₂的合理近似值。假定仪器磁场梯度为20×10^-4 T/cm，体积水扩散，T₂曲线示于图4-46b。T₁也示于此图，因T₁既与扩散系数无关也与磁场梯度无关，故它总为标准值。用其他仪器梯度值和回波间隔通过式（5-33）重新计算的T₂曲线与图中曲线相似。

图5-46a 水的扩散系数与温度的关系

图5-46b 水的体积弛豫和扩散弛豫

泥浆滤液含有增加体积弛豫速度的顺磁离子，特别是木质磺酸含铁或铬时在这方面有特别的效果。图5-47a和图5-47b为几十年前收集数据的再版。现代泥浆的数据仍未见报道。注意到高温一般减弱泥浆滤液中增加物的影响。

在某些情况下，故意在泥浆中加入顺磁锰离子以减小水基泥浆的 T₂。如果锰浓度足够高，水相的T₂减小至仪器死时间之下，所有的水信号将消失。因为在烃中锰不会衰弱，它们的弛豫时间不受影响，所以NMR孔隙度中仅剩下油或气的信号。该技术已成功用于估算残余油饱和度。类似地，孔洞地层中加入中等数量的锰能减小孔洞中水的 T₁，这使得能用短的等待时间估算总孔隙度，从而提高了测井速度。

图5-47a T₁与加入钻井泥浆中的稀释剂的关系

图5-47b 作为不同钻井增加剂的函数T₁与温度关系

通常，锰必须用乙烯二胺四乙酸盐（EDTA）处理以阻止它与粘土矿物发生离子交换。当井未穿过泥质地层时，可用相对不太贵的氯化锰替代。锰溶液的弛豫特性示于图5-48a和图5-48b。当预测锰减小水相T₂时，记录泥浆滤液被NMR仪探测域内原生水稀释程度，这一点十分重要。

图5-48a 锰溶液的弛豫特征

图5-48b Mn-EDTA弛豫特性与温度的关系

2.油的弛豫特征

在水润湿岩中，油的NMR弛豫时间不受地层特性的影响，仅为油组分和地层温度的函数。这大大简化了测井解释的任务，人们可以有部分把握地预测油信号在T₂弛豫时间分布上出现的位置。

预测油的NMR特性的第一步是确定井下油的黏度。已知黏度后，根据图5-49确定T₁和T₂。T₂曲线假定仪器梯度为20×10^-4 T/cm。如果仪器磁场梯度低于此值，T₂曲线向T₁曲线移近。较高的仪器梯度或高的内部梯度增加了曲线间的距离（根据式5-33）。

图5-49 原油弛豫时间、体积弛豫和扩散弛豫

在预测原油 T₂时，一定要记住原油不是单一的弛豫时间，而具有一定弛豫时间分布。图5-50 示出了几种原油的T₂分布，是在均匀磁场中（G=0）作为体积液体测量的。与具有窄T₂分布的成品油对比，原油的T₂分布跨度大，原因是原油为不同类型烃的混合物。典型的分布由一个源于最具流动性氢核的较长T₂峰和一个来自运动受限制氢核的较短弛豫时间的尾组成。定量确定烃量需要将原油T₂分布与观测到总的T₂分布重叠，在一个尺寸变化大的孔隙系统中，总T₂分布包括水的宽弛豫时间分布。

图5-50 体积样品的T₂分布

在许多油基钻井泥浆（OBM）中，基质油为用一个窄沸点范围蒸馏得到的精制烃。这使OBM滤液的T₂分布窄。

3.气体弛豫特征

甲烷的T₁为其成分、温度和压力的函数，如图5-51所示。弛豫为体积弛豫，但不同于液体的自旋-自旋弛豫，像甲烷一样的简单气体主要弛豫为自旋-轨道相互作用所致。

图5-51 甲烷气的T₁与温度和压力的关系

图5-52 甲烷扩散系数

气体T₂完全受控于扩散弛豫，所以T₁和T₂彼此无关。甲烷的扩散系数很高，如图5-52所示，将其结果代入等式（5-33），得出图5-53所示的甲烷T₂值，图中假设仪器梯度为20×10 ^-4T/cm。

在静态条件下，气体很少作为连续相存在。在中等水饱和状态下，水阻塞孔隙喉道，气体作为孤立的气泡存在于孔隙中间。因气的扩散系数很高，在梯度场中扩散影响可被消除。如果在T_E期间，一个气体分子在气泡上来回移动，扩散弛豫变为无效，T₂接近T₁。对于尺寸小于5 μm的气泡，气体T₂很长，且与T_E无关。

4.结论

图5-53 未限制扩散的甲烷T₂

对于在润湿岩石中的水，常常以表面弛豫机制为主。当在泥浆滤液中含铁、锰、铬、镍或其他顺磁离子时，必须作体积弛豫校正。孔洞中的水以体积速率弛豫，受扩散弛豫影响。同样，水湿润岩中的油也以体积速度弛豫，受扩散影响，气体的T₁受控于体积弛豫，而T₂受控于扩散弛豫（表5-2）。

表5-2 弛豫机制

（六）固体的弛豫特性

NMR测井仪地层中氢核有响应。部分骨架组分，特别是粘土和含结晶水的矿物如石膏富含氢。

虽然固体中的氢核影响中子测井，但他们对NMR测井无影响，原因是固体中氢核的弛豫速率很慢，使之不被井下测井仪检测。通常，T₁很长，约几十秒或几百秒，使之不被移动测井仪极化。此外，其T₂值很短，约为10 μs，所以来自固体中的信号因在接收死时间内而被丢失（所有NMR测井仪的死时间约为几百毫秒）。因此，NMR仪器对骨架影响极不敏感，是核磁共振测井的重要优越性之一；测量结果不受岩性影响，从而使核磁测井资料解释大大简化。