2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星核磁共振探測技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在核磁共振現(xiàn)象中，決定特定核種共振頻率的主要因素是（）。A.核外電子排布B.核子的總自旋量子數(shù)C.外加磁場強度D.核周圍的局部電場環(huán)境2.Larmor方程描述了什么物理量之間的關(guān)系？（）A.核自旋角動量與磁矩之間的關(guān)系B.核自旋角動量與外加磁場之間的關(guān)系C.共振頻率與核磁子數(shù)及磁場強度之間的關(guān)系D.弛豫時間與溫度之間的關(guān)系3.在核磁共振信號中，自旋回波（SpinEcho）信號通常比自由感應(yīng)衰減（FID）信號（）。A.持續(xù)時間更長B.振幅更大C.出現(xiàn)得更早D.對噪聲更敏感4.T1弛豫（自旋-晶格弛豫）描述的是（）。A.核自旋系統(tǒng)與周圍環(huán)境（晶格）能量交換的過程B.核自旋系統(tǒng)內(nèi)部失相到再相干的過程C.產(chǎn)生磁場梯度導(dǎo)致信號空間編碼的過程D.核自旋磁矩在外加磁場中進動的頻率5.在行星科學(xué)中，利用1H核磁共振探測水的主要依據(jù)是（）。A.氫核具有較大的磁旋比B.水分子中氫核的化學(xué)環(huán)境相對簡單C.1H核在行星地表常見磁場條件下共振頻率較高D.1H核對空間磁場的響應(yīng)比其他核種更敏感6.與地面高場核磁共振儀相比，用于行星探測的核磁共振設(shè)備更側(cè)重于考慮（）。A.更高的場強以獲得更好的分辨率B.抗空間輻射和磁場波動的能力C.更小的尺寸以適應(yīng)航天器有限空間D.更高的靈敏度和信噪比7.核磁共振技術(shù)能夠區(qū)分不同類型的冰（如H2O冰與CO2冰）的主要依據(jù)是（）。A.不同冰種具有不同的密度B.不同冰種具有不同的化學(xué)位移C.不同冰種具有不同的弛豫時間D.不同冰種在行星環(huán)境下的穩(wěn)定性不同8.核磁共振成象（MRI）技術(shù)在行星科學(xué)中潛在的應(yīng)用包括（）。A.探測行星表面淺層結(jié)構(gòu)的含水量分布B.直接測量行星核心的成分C.分析行星大氣的化學(xué)成分D.探測行星內(nèi)部的磁場結(jié)構(gòu)9.空間等離子體體（如離子、電子）對行星核磁共振探測的主要干擾機制是（）。A.導(dǎo)致局部磁場發(fā)生快速、隨機的變化B.直接吸收核磁共振信號能量C.與核自旋發(fā)生碰撞，改變其運動狀態(tài)D.產(chǎn)生強烈的射頻噪聲，淹沒有用信號10.在評估一種核磁共振探測技術(shù)用于行星水探測潛力時，需要重點考慮的因素不包括（）。A.對液態(tài)水、冰、水蒸氣的區(qū)分能力B.探測深度與分辨率之間的權(quán)衡C.設(shè)備的功耗和重量D.行星表面的光照條件二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.核磁共振現(xiàn)象發(fā)生的物理基礎(chǔ)是原子核具有________，在外加磁場中會圍繞磁場方向進動。2.Larmor方程表明，核的共振頻率（ω0）與其磁旋比（γ）以及外加磁場強度（B0）成正比，即ω0=γB0。3.T2弛豫（自旋-自旋弛豫）描述的是核自旋系統(tǒng)內(nèi)部因________作用導(dǎo)致的失相過程。4.核磁共振信號強度與樣品中________的濃度成正比。5.在行星探測中，利用核磁共振技術(shù)探測________是其最成熟和最有前景的應(yīng)用方向之一。6.核磁共振成像（MRI）利用________信息來重建樣品內(nèi)部的密度或成分分布圖。7.為了補償空間環(huán)境中的主磁場不均勻性對信號造成的影響，核磁共振脈沖序列中常使用________。8.核磁共振技術(shù)對________磁性核（如1H,13C）的探測比對非磁性核（如12C,16O）更有效。9.自旋回波（SpinEcho）脈沖序列通過90°脈沖和180°脈沖的組合，可以有效地________T2*失相效應(yīng)。10.行星核磁共振探測技術(shù)的局限性之一是它主要對________有響應(yīng)，對非磁性元素探測能力有限。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述核自旋角動量、磁矩和外加磁場之間的基本關(guān)系。2.解釋什么是弛豫時間T1和T2，并簡述它們各自的物理意義。3.與其他行星水探測方法（如雷達、光譜）相比，核磁共振探測技術(shù)具有哪些獨特的優(yōu)勢？4.簡述核磁共振信號如何受到行星表面電離層或等離子體體的影響。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述核磁共振技術(shù)在探測木衛(wèi)二（Europa）或土衛(wèi)二（Enceladus）冰下海洋含水量方面可能的應(yīng)用方法和科學(xué)意義。2.詳細論述將核磁共振探測技術(shù)（如探地雷達形式）應(yīng)用于火星表層探測（淺層地下）時，需要克服的主要技術(shù)挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。3.結(jié)合核磁共振的基本原理，論述為什么該技術(shù)對探測行星內(nèi)部的有機物可能具有一定的潛力，并說明其面臨的主要困難。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.A4.A5.B6.B7.C8.A9.A10.D二、填空題1.自旋2.核磁子3.自旋-自旋相互作用（或自旋散射）4.待測核種5.水6.位置（或空間位置）7.磁場梯度8.具有磁矩9.消除（或補償）10.具有磁矩（或磁性）三、簡答題1.解析思路：核自旋角動量是核內(nèi)粒子（通常是質(zhì)子）固有的一種角動量屬性。在外加磁場（B0）中，具有磁矩（μ）的核自旋會傾向于使其磁矩方向與磁場方向?qū)R或反齊。這個磁矩與磁場之間的相互作用會產(chǎn)生一個力矩，導(dǎo)致核自旋角動量矢量圍繞磁場方向進動。這個進動頻率就是共振頻率，由Larmor方程描述。簡單來說，就是自旋的固有屬性（角動量、磁矩）使其在外場中發(fā)生進動。2.解析思路：T1弛豫是指經(jīng)過一個脈沖擾動后，失相的核自旋系統(tǒng)通過與周圍環(huán)境（晶格）的能量交換，逐漸恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)，即恢復(fù)到宏觀上的相干狀態(tài)。其時間常數(shù)T1表征了這種恢復(fù)過程的快慢。T2弛豫是指即使在沒有外部脈沖干擾的情況下，由于核自旋之間的自旋-自旋相互作用（偶極-偶極相互作用），失相的核自旋集體也會以指數(shù)速率變得越來越不相關(guān)（失去相干性）。其時間常數(shù)T2表征了這種失相過程的快慢。T1關(guān)注的是系統(tǒng)整體能量的恢復(fù)，T2關(guān)注的是系統(tǒng)相干性的喪失。3.解析思路：核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢在于：1）對氫（1H）原子高度敏感，而水分子中含有大量的氫原子；2）可以區(qū)分液態(tài)水、冰（不同相態(tài)）以及水蒸氣，因為它們對應(yīng)的1H核的化學(xué)環(huán)境、自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫時間不同；3）非侵入性，不直接破壞樣品；4）提供關(guān)于目標物微觀環(huán)境和成分的信息。與其他方法相比，如雷達主要看介電常數(shù)差異，光譜主要看化學(xué)元素或分子振動，核磁共振在探測含氫物質(zhì)（尤其是水）的微觀分布上更獨特。4.解析思路：行星表面的電離層或近等離子體體區(qū)域存在大量的自由電子和離子。這些帶電粒子在行星磁場作用下會發(fā)生運動，并可能產(chǎn)生額外的磁場擾動（如場梯度或不均勻性）。這些擾動會作用于核磁矩，導(dǎo)致局部磁場發(fā)生變化，從而影響核的共振頻率、弛豫時間以及信號強度和相位，最終可能使得核磁共振信號難以檢測或解釋，甚至完全被噪聲淹沒。這是空間環(huán)境下核磁共振探測技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。四、論述題1.解析思路：應(yīng)用方法：可以在木衛(wèi)二或土衛(wèi)二的表面部署核磁共振探測器（可能為地面穿透雷達形式），發(fā)射低頻電磁脈沖，探測從冰層下方海洋反射或透射回來的信號。通過分析信號的強度、頻率（可能受潛艇或溶解物質(zhì)影響）、衰減特性（與冰層厚度、含水量、含鹽量等有關(guān)）以及弛豫時間信息，可以推斷海洋的深度、體積、含水量、鹽度以及是否存在溶解的有機物等?？茖W(xué)意義：如果能成功探測到海洋并獲取其參數(shù)，將極大支持這些衛(wèi)星存在液態(tài)水和潛在生命存在的假說，為尋找地外生命提供關(guān)鍵證據(jù)。2.解析思路：主要挑戰(zhàn)：1）空間環(huán)境惡劣（強輻射、溫差、微流星體撞擊）；2）火星表面土壤（風(fēng)化層）可能對電磁波有屏蔽或衰減作用，影響探測深度；3）需要高靈敏度和高分辨率來探測淺層（如幾十米深）的目標；4）設(shè)備需小型化、輕量化、低功耗，適應(yīng)航天器限制；5）信號解譯復(fù)雜，需要考慮多種干擾因素?？赡艿慕鉀Q方案：1）采用耐輻射、抗磨損的探測器設(shè)計和材料；2）優(yōu)化脈沖序列和信號處理算法，提高信噪比和分辨率；3）發(fā)射多臺探測器或采用陣列技術(shù)；4）利用低場核磁共振原理，簡化設(shè)備；5）進行詳細的地面模擬和火星現(xiàn)場測試，建立可靠的解譯模型。3.解析思路：潛力：核磁共振對具有磁矩的原子核敏感。有機物通常含有氫（1H）、碳（13C）、磷（31P）、鈉（23Na）等具有磁矩的元素。通過探測這些元素的核磁共振信號，可以識別有機物的存在，甚至推斷其類型和含量。例如，不同環(huán)境的氫（