物理效应及其应用—其它物理效应ppt课件

第六章其它物理效应 当光由光密媒质向光疏媒质入射 入射角 大于临界角 时 便会发生全反射 界面将能量全部反回第一种媒质 但这并不是说第二种媒质中没有光波电磁场 第一节光隧道效应 利用电磁场理论 可以得到 当入射角大于临界角时 第二种媒质中的电场分量为 Ez E0exp 2 n12sin2 i n22z exp i t xsin i 1 代表光波在第一种媒质中传播的速度 上式描绘了一个振幅随 的增加而衰减 等相面以速度 sin 沿 轴传播的非均匀波 消逝波 如图 1 a 所示 等幅面是平行界面 常数的面等相面是垂直界面 常数的面如果界面有极微小的起伏 如图 1 b 所示 则等幅面也跟随着起伏 表面的形貌信息便反映到等幅面形状上了 依上式可知 Z 2 n1sin i 2 n22 在处振幅下降为界面处的 为穿透深度 图 光全反射 光导纤维内的全反射 光的全反射现象用来制造光纤 用两种折射率不同的玻璃拉成同轴电缆似的细细的光导纤维丝 如图 2所示 中心折射率大 外层折射率小 图左表朋了折射率的径向变化 由于全反射 光线经受不断反射向前传播 将大量光纤集成一束 光缆 既可以传送图象 也可以传送声音 因为光纤有信息传输容量大 又可避免电磁干扰等特点 促使各国近年来不借耗资发展光纤通讯 图 光导纤维 光纤除用于通讯外 还可以制作各种光纤传感器及各种特殊器件 如光纤陀螺等 现在 回到图6 1 a 若在第二种媒质 如空气中 象图6 1 a 那样 图 光学隧道效应 光通过折射率为n1的介质发生全反射 在距离介质n1和n2界面很近处 放一折射率为n3的棱镜 n3 n2 或等于n1 这时会发现 只要间隔足够小 小于穿透深度 媒质n1中的全反射会受到抑制 光线将能穿越n2进入媒质n3区 这现象称为光学隧道效应 它与电子穿透势垒的隧道效应类似 是光的波动性必然结果 光学隧道效应可目来实现光信号的耦合 它在集成光学 光纤技术中十分有用 图6 3 b 表明光信号向光波导薄膜的耦合 图6 4明两条光纤通过光学隧道效应实现耦会构成迈克逊干涉仪式的光纤通讯系统 图中光耦合器是通过烧融或磨合将两根光纤的一部分靠得很近 在此 可以由光学隧道效应实现耦合 图 光耦合与光通讯 从光源传入光纤 段的光 在耦合器一分为二 一路沿 一路沿C 这两路光在光纤端面被反射 这两路反射光经耦合器合光进入 段 由光电探测器接收 即 两段的光程差决定了光电探测器的信号强度 现在若把录音机或收音机输出的音频信号电压加到压电陶瓷上 电信号就变成了压电陶瓷的机械振动 引起 段光程 即 两段的光程差发生变化 使音频信号载于光波之上 光探测器接收的干涉信号也就随音频而变化 再把这信号放大推动扬声器 便完成了声音从光纤的一端到另一端的传递 光纤耦合器起到迈克逊干涉仪中分束器的作用 在这里实现分光和合光 其中一根光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷上 压电陶瓷的径向伸缩可改变光纤的长度 相当迈克逊干涉仪中反射镜的移动 起到了改变光程的作用 光纤器件有体积小 重量轻 宽频带 容量大等优点 正在军事和高新技术中越来越受到重视 新近 利用光隧道效应原理发展了一种探侧表面形貌的激光光隧道显微镜 由图 可见 消逝波的等幅面包含表面形貌信息 用一根光导纤维做成的探针 扫描等幅面 就可得知表面 地形 因为光隧道效应 光纤探针所到处的全反射受到抑制 有光隧穿进入光纤的光可由光电探测器检测 图 5表明激光光隧道显微镜的示意方块图 激光束打在样品表面 形成消逝场 图 光隧道显微镜示意图 在压电陶瓷扫描控制系统的控制下 让光纤探头对消逝场作等场强 等幅面 扫描 根据光电倍增管反馈回的信号 在扫描 时 调节探针的高度 使光电倍增管的信号在扫描中保持在一个给定的值 提取 位置对应的 经图象处理和显示系统就可看到样品表面的形貌图象 第二节弹光效应 1816年SirDavldBrewstet发现透明的各向同性物质会由于应力而出现光学各向异性 原来不具双折射的各向同性物质表露出力致双折射的现象 称为弹光效应 photoclasticity 图6 6弹光效应 如图6 a 所示 将试样放在两个光轴互相垂直的偏振片之间 自然光通过偏振片 成为偏振光照射在试样上 当对试样加压 在偏振片 之后便可观察到彩色干涉条纹 这是因为加压后 试样成了人为双折射物质 光轴如图中虚线所示 平行主截面 e光一非常光 的光振动和垂直主截面 o光一寻常光 的光振动的传播速度 或试样对二者表现的折射率不同 e光 o光折射率之差与压强P的关系为 式中K为比例系数 各向同性的透明材料 在压力或拉力作用下好似成了负的或正的单轴晶体 光轴处于应力方位 诱导出的双折射效应正比于应力 弹光效应 压强造成试样内部的应力 应力的存在 改变了材料的光学性质 不是所有物质都有明显的弹光效应 环氧树脂 玻璃 赛璐璐等为弹光敏感物质 弹光效应提供了研究机械零件 建筑构件内部应力分布的一个有力方法 在材料力学测试领域构成了光弹技术 实现这种技术的方法是用环氧树脂仿照实物制作一个缩小的模型 按实际运行中受力情况对模型施加外力 象图 b 那样将模型置于两个光轴互相垂直的偏振片之间 通过偏振片2就可观察到如图 C 所示的干涉条纹 偏光干涉条纹的分布反映了试样中应力的分布 条纹密集的地方应力大 稀疏之处应力小 依此可对应力分布作定性了解 随着光弹技术与激光技术的结合 采用激光作光源发展出基于二次曝光的全息光弹技术 使光弹技术更趋完美 有些材料如玻璃 由于加工制造 内部会存在内应力 纵使不施加外力力 也能观察到偏光干涉条纹 因此弹光效应也可用来检查玻璃器件 如透镜 中是否存主内应力 第三节激光致冷和 光镊 效应 激光致冷的设想是TheodorHansch和ArthurSchawlow于 首先提出来的 它是利用激光的辐射压力阻尼中性气体原子热运动达到降低温度的 如图6 7所示 在激光致冷实验中 原子射束中的原子 使反向传播的激光束中的光子发生共振散射 原子速度便减慢下来 图6 7激光束对原子产生的散射力 散 光于被原子共振散射 可分成两步来考虑 原子吸收光子和原子发射光子 在吸收光子的瞬间 原子在光子传播方向即原子运动的相反方向获得了动量增量 形成了对原子的阻力 在原子发射光子的瞬间 由于发射没有特定的方向 向各个方向发射的几率相等 因此原子发射光子的平均冲力为零 大量光子不断被吸收 原子获得一连串冲击阻力 由上可知 光子原子共振散射的净效果是原子在运动的相反方向受到阻力 称为散射力 散射力大小比例于光子动量和散射速率 即单位时间内原子散射光子数目 在共振散射时 散射力最大 随着原子速度减小 由于多普勒效应 共振散射条件得不到满足 阻尼效果变坏 为了在原子减慢下来时 仍保持大的阻尼散射力 一个曾经用过的方法是调谐激光频率 以抵消多普勒频移 一个无需调谐光频率的方法是采用两束反向传播的激光照射中性原子 一束与中性原子运动方向相反 一束与中性原子运动方向相同 由于多晋勒效应 中性原子感受到反向传播的光束其频率升高 而同向光束频率降低 对于前者 光子的散射几率较大 所以二者的总效果仍然是在与中性粒子运动的相反方向产生散射力 为了使中性原于的三维运动受到阻尼 需使用三组互相垂直的反向传播的激光束照射中性原子 这样 中性原子各方位的热运动被减慢而冷却 即激光致冷原理 利用激光冷却原子或离子 使速度减慢甚至静止 用激光已可冷却到 毫升 的范围 新近已用激光使一束钠原子实际上达到了静止状态 激光致冷的主要动机是要消除发光原子一级多普勒频移和二级多普勒频移 对后者 频移与粒子动能成正比 以建立更好的频率标准 已有人建议将光学频标作为下一代原子钟的候选者 频标对计时 导航和精密计量极为重要 如果使光束的光强形成一定的分布 如高斯型的光强分布 光场从中性粒子诱导的偶极子将趋于移到局部光强极大处 这样一个光束的中心线好象一个中性粒于的 陷阱 能抓住或陷入冷却的中性粒子 使之随着光束的移动而移动 这光束象一把镊于 这现象称为 光镊 效应 利用激光的 光镊 效应可以捕获并操纵中性粒子 光镊 技术在细胞 线粒体和染色体等三个不同生物学层次的研究中有重要的应用 己有人利用 光镊 于将单个DNA分子拉直 观察微生物在光镊中的运动等 第四节麦克斯韦 瓦格纳效应 设想电容器的两个极板间填满介电常数 和电导率 i不同的不均匀物质 当施加阶跃电压时 在开始瞬间 电势分布仅决定于介电常数 的分布 与电导率 i 或电阻率 1 i 无关 但电势的稳定分布仅决定于电阻率 的分布 这里是按非常理想的情况 忽略不同介质边界上电荷积累的影响考虑的 这种非均匀介电常数短时间 或高频 的 电容性 电压分布 演变为非均匀电阻率的长时间 或低频 的电阻性电压分布的弛豫现象 称为麦克斯韦 瓦格纳效应 麦克斯韦 瓦格纳效应 可以通过分析如图6 8所示的双层结构来理解这个效应 图 a 表示介电常数和电导率分别为 和 的双层结构 图 b 表示它的等效电路 如果给图 b 电路加一阶跃电压 这阶跃电压的前沿突变部分对应着高频分量 平顶恒定部分对应低频或直流分量 电容对高频分量显示低阻抗 对低频分量显示高阻抗 对直流分量相当无穷大阻抗 图 双层电容和它的等效电路 阶跃的起始时刻 高频作用 电容C阻抗小 相对来说 电阻可看成断路 因此电压按电容分布 当长时稳定后 直流作用 与电阻相比 电容可以看成断路 电压按电阻分布 由电压按电容分布转变为电压按电阻分布 这会有一个过渡 弛豫 过程 这可以依欧姆定律列出微分方程来求解电压分布的时间变化 对于 混杂分布的介质 可以想象成一个复杂阻容网络 在复杂网络某两点之间接入驱动电压 然后探测各点的电势分布 电势的分布与阻容 分布相关联 利用这个道理可以获取材料的电阻抗的 像 以确定不均匀系统的局域状况 这种技术已经成功地在生物系统和医疗中得到应用 可以形成类似CT一样的断层照片 第五节卡斯米尔效应 什么是真空 真空词容易使人想到一无所有 可能还有人保待着 7世记智者的观念认为创造一个真空就是将其中的物质掏空 特别是要把气体抽走 到 世纪末2 世纪初 人们了解了热辐射 于是觉得17世纪的真空观念中 原来也不是一无所有 里面还有热辐射呢 自然有人想到热辐射是可以通过降低温度来减弱的 减到绝对零度热辐射便被彻底消除了 达到绝对零度是否达到了真正的真空 1948年荷兰菲利普研究所的 卡斯米尔做实验 研究靠得很近的金属板之间的力 当然 板上若带正负电荷q 近似成无限平板 根据静电学可以预见它们之间的相互吸引力为 q2 2 0S S为平板面积 这已作为习题编人了许多大学物理教科书中 卡斯米尔实验和分析的不是这种带电的情形 不带电的两块金属板 相距很近时会产生一种相互吸引的力 这称为卡斯米尔效应 卡斯米尔效应 设想空间没有任何气体分于 但存在热辐射 每块板的两面都受到电磁波的撞击 反射波 入射波形成如图 b 的驻波 力趋于抵消 但不是完全抵消 还有一部分抵消不了的残余力 这力与板面积成正比 还决定干两板之间的距离和电磁辐射的能谱 方向趋于使两板靠近 图 表明电磁波反射形成驻波的示意 在两板之外的空间 各种波长的驻波都可形成 而两板之间垂直板面的方位 2 的电磁波不能形成驻波 对一块板来说 明显地出现了不平衡 热辐射在温度降至0 K使消失 因此在0 K下 两板的吸力应消除 但实验否定了这一预言 卡斯米尔效应 1958年荷兰物理学家M J Sparnaay在卡斯米尔设想下进行了一系列实验 发现温度降到极低 力也不趋于零 纵使0 K 这残余力仍存在 且查清这力与板面积成正比 与两板间距离的四次方成反比 比例常数为1 3X10 18尔格 厘米 当面积为 相距0 5 m 两板间的卡斯米尔力相当于0 2毫克力 这就说明 纵使0 K 真空也不是一无所有 仍然存在电磁辐射场 这辐射称为零点辐射 正是这种辐射场形成了Sparnaay所测量到的两板吸引力 真空似空非空 纵使空间不存在实物 也不存在热辐射 那空间仍存在零点电磁辐射场 它是真空固有的特征 是目前还无法消除的 卡斯米尔实验中测得的力有两个分量 一是热辐射产生的力 它正比于温度 反比于两板间距离的三次方 这个力到0 K时消失 另一个分量是零点电磁场产生的 它与温度无关 与两板间距离的四次方成反比 零点辐射有什么特点 它应该是空间均匀 各向同性的 零点辐射能谱应与观察者速度无关 为了保持洛仑兹变换下的能谱不变性 任意频率的辐射强度应与频率的三次方成正比 比例常数为普朗克常数之半 即3 3x10 27尔格 秒 只有这样才能使频率随观察者速度的变化 多普勒效应 与强度随观察者速度的变化相抵偿 而使频谱与观察者速度无关 卡斯米尔和Sparnaay的实验表明零点电磁场的存在 对零点场正在探索中 随机电动力学是探讨零点场的理论之一 第六节同位素效应与激光同位素分离 原子核中质于数相同 中子数不同 处于元素周期表中同一位置的原子谓之同位素 或者说是同一元素的不同原子 它是1910年索迪根据放射性的实验事实发现的 并因此于1921年获得了诺贝尔化学奖 每种元素的同位素数目不同 有的具有3种 4种 甚至10种同位素 如锡 也有仅1种原子的元素 如铍 最普通的氢元素有3种同位素 分别为氕 氢 氘 重氢 氚 超重氢 氕与氧生成普通水 H2O 氘与氧气生成重水 HDO H2O 铀有 三种同位素 同位素的主要差别表现在核性质上 原子核的体积大小 核电荷的分布是不同的 核性质差别首先表现在放射性上 如 铀 的三种同位素中 U235在热中子和慢中子作用下会发生裂变反应 U238仅在快中子作用下才发生裂变反应 U234无论在什么情况下也不发生裂变 硼的两种同位素中 10能有效地吸收热中子 而B11不具这种特性 故B10可做核反应堆的控制捧材料 同位素效应与激光同位素分离 然而 同种元素的同位素的物理化学性质却很相似 通常同种元素的同位素混合在一起参与化学反应和物理变化 如水在一个大气压下于 C沸腾 人们几乎未能感受到含量极微的重水对沸点的影响 同位素的化学性质也基本相同 在低分辩率的光谱仪中 它们的光谱特性大致相同 倘若采用足以看清光谱超精细结构的高分辩率光谱仪 同种元素的同位素的光谱位移和差别就可展现在眼前 这种同位素光谱频率的微小位移 称为同位素效应 同位素频谱的位移是由于核质量 核体积和核电荷分布的不同所致 通过分析研究 质量引起的位移效应和体积引起的位移效应正好相反 同位素效应与激光同位素分离 相对位移 1 M2 M为原子核质量 对中子数小于 的轻元素 同位素频移主要来自于质量效应 对中于数大于 的重元素 同位素效应主要来自体积因素 同种元素同位素光谱有位移 说明同位素的能级结构有差别 同位素的应用极为广泛 可以用作核燃料 如铀 钚 等是用于原子弹和核反应堆的重要核燃料 氘 氚是核聚变的重要燃料 同位素在能源舞台扮演着重要角色 放射性同位素 可以作为 示踪原子 探索复杂 微妙的物理化学过程和有机体中的新陈代 医学上可以用同位素进行诊断和治疗 以及药理生理研究 总之 同位素已广泛用于工 农 医 科学研究的各个方面 同位素有如此广泛的应用 从混合物中分离出同位素就显得特别重要 历史上 人们曾采用过多种方法来分离同位素 如电磁分离法 气体扩散法 气体离心法 化学交换法等 电磁分离法是将同位素高温汽化并电离 然后通过一个磁场区 利用洛论兹力 使质量不同的同位素分离 与通常所说的质谱仪的原理一样 气体扩散法是让气体通过多级多孔膜进行扩散 跑在最前面的是那些质量小的同位素 图 激光同位素分离 随着单色性好 强度极高的激光的出现 兴起了一种新的同位素分离方法 一激光同位素分离 它依据的就是同位素效应 循同位素原子光谱或同位素化合物的分子光谱上的差别或频移 利用激光的高度单色性 高强度和频率可调 将同位素混合物中感兴趣的某种同位素 激发到高能级激发态 而其它同位素未受激发 利用受激同位素原子 或分子 与未受激同位素在物理或化学性质上的不同 再采用适当的物理或化学方法将它们分离 其方法有光电离法 光压法 光化学法等 图 10 a 表明了两种同位素的能级位移 实线代表一种同位素的基态 激发态和电离态能级 虚线代表另一种同位素的对应能级 用一束单色性极好 频率为 的激光 照射同位素混合气 由于光子的单色性 仅使 的那种同位素共振跃迁到激发态 其它同位素仍处于基态 处于激发态的同位素容易电离 若再以另一频率为 的激光照射 处于激发态的同位素便电离成正离子 具有负高压的收集极便可将正离子收集 以达分离目的 这就是光电离法的原理 图 10 b 示意地表明了这一过程 同位素效应与激光同位素分离 图 表明了激光光压法分离同位素的过程 图 光压法 从原子炉中蒸发出来的原子束 受到垂直方向射来的激光照射 使其中的一种同位素处于共振激发态 并受到光压力 从而发生偏折而被分离出来 激光同位素分离获得重视 那是因为它较常规分离法有分离系数高的优点 第七节正 负电湮灭效应 由薛定谔方程描绘的非相对论量子理论臻于完善以后 物理学家们谋划着把20世纪两个重要的理论 量子论和相对论统一起来 1928年著名的理论物理学家保罗 狄拉克首先提出了服从相对性原理的电子波动方程 后人称为狄拉克方程 这方程成功地得出了相对论电子定有自旋 但奇怪的是狄拉克方程还出现了负能解 狄拉克没有把它看作没有意义而抛弃掉 相反 他提出了各种假设 追逐负能解的内涵 最后预示自然界有正电子存在 1932年8月20日 安德森从威尔逊云雾室的宇宙射线径迹照片中 发现了正电子的行踪 终于证实了狄拉克的预见 窥视到了第一个反粒子 正电子有与电子相同的质量和自旋 自旋也为1 2 它的电量和磁矩大小也与电子相同 只是符号相反 正电子不象电子那样易于为人们观察到 那是因为它在物质中的寿命太短 真是 匆匆湮灭世间 当一个正电子和一个负电了相遇便会湮灭成了光子 正 负电子湮灭过程可表为 2的整数 最常见的是湮灭成2个或3个 光子 在自由空间正负电子绝不会湮灭成一个 光子 因为这样的话 不能使能量守恒和动量守恒都得到满足 只有存在能吸收反冲动量的第三者时才有可能 显然让正电子去撞击大块凝聚物能观察到正 负电子湮灭效应 问题是从哪里得到正电子 做正 负电于湮灭实验时 是用放射性同位素 Na u 等作为正电子发射源 进入凝聚物的正电子在和物质原子碰撞时 在约 Ps 皮秒 的极短时间内首先失去它的大部分动能 注入的平均射程在10 1000 m之间 变慢的正电子在物质中漫游 最终与周围介质中的一个电子发生湮灭 在多数情况下变成了两个能量为511keV的 光子 正电子在物质中的平均寿命在100 500Ps间变化 平均寿命反映材料特征 对某些物质 变慢的正电子也可俘获一个电子组成类氢 原子 称为电子偶素 图 表明正电子在凝聚物中湮灭实验的大致过程 实验采用 N 作为正电子源 在射出正电子的几个皮秒内 Na核还放射一个能量为 MeV的 光子 它可以作为起始信号 图6 12正 负电子湮灭 进入凝聚物的正电子与电子发生湮灭 转变成两个能量为511keV的 光子 根据起始 光子和湮灭 光于之间的时间延迟 就能测量正电子在材料中的寿命 在湮灭前 电子一正电子对的动量 转交给了湮灭后生成的 光子 这个动量可以通过测量两个511keV光子的方向与共线的小偏角 检测出来 参看图 b 正 负电湮灭效应 按照狄拉克对产生两个 光子的正 负电子湮灭过程的推导 可以得到单位时间内的湮灭几率或湮灭率为 它与正电子的速度无关 式中 C分别为经典电子半径和光速 是正电子所在处的电子密度 湮灭率的倒数等于正电子的平均寿命 通过测量正电子在材料中的寿命便可检测到材料中的电子密度 在实验室坐标系 正 负电子总动量不是零 而是如图 b 所示的 分解为横向分量 和纵向分量 因此湮灭后两个了光子运动的方向会偏离共线 角 因 很小 式中 是正 负电子对的动量在垂直于光子发射方向上的分量 正 负电湮灭效应 慢化的正电子动量近乎零 所以与偏角 关联的是被湮灭的电子的动量 湮灭产生的 光子按角度 的分布反映了材料中电子动量的分布 所以通过测量 光子按偏角 的分布可以探测材料中电子的动量分布 正电子对固体中的点阵缺陷敏感 正电子会被缺陷吸引和俘获 它倾向于寻找晶体中离子密度低于平均值的那些区域 用正电子湮灭方法研究凝聚物中缺陷浓度 组态和内部结构的兴趣正急剧增长 现在 正电子谱仪已作为商品出售 人们还在努力发展正电子显微术 第八节同步辐射效应 经典电动力学断言 带电粒子作加速运动便会辐射电磁波 当电子作圆周运动 照理应辐射电磁波或光波 1947年在同步加速器上首次观察到了这种光辐射 图 同步辐射 如图 所示 在电子同步加速器或电子存储环中 高能电子在强大磁场偏转力的作用下作圆周运动 发射很强的光辐射 称为同步辐射 由于电磁辐射消耗掉被加速电子的能量 电子能量越高 辐射损耗越大 这就限制了加速器中电子能量的提高 加速粒了来说 这效应是不利的 同步辐射的可贵特点是 强度高 稳定性好 一个圆轨道上运动的电子发射光辐射 其辐射强度依赖于电子的能量E和轨道半径 辐射功率为 第八节同步辐射效应 1949年逊格耳 Schwinger 从理论上计算了同步辐射的能耗 能量按频率的分布和按角度的空间分布 1956年汤博林 Tomboulian 和哈特曼 Hartman 对美国康奈尔大学一台300MeV电子同步加速器产生的同步辐射作了实验研究 测定了能谱分布和强度的角分布 发现同步辐射具有高强度 光谱范围宽 光强度角分布窄 稳定性好等优点 这一探索为同步辐射的应用打开了广阔的前景 它的辐射强度与激光相当 式中C为光速 为电子静止质量 由于电子存储环中电了的能量可准确调节 所以同步辐射的稳定性好 在同步加速器中 电子的加速是在加速区实现的 电子是一股一股册地间歇式地注入轨道 轨道被成股的电子充满 所以观察者观察到一系列强而窄的光脉冲 角分布窄 以接近光速做圆运动的电子 其光辐射几乎集中在以电子行进方向 轨道切线方向 为中心的细长光锤内 图中所示辐射的半角宽度 E 500MeV时 1弧度 谱范围特别宽 可发生从红外直至硬 射线的强光 在轨道平面发射的还是很纯的线偏振光 统而观之 同步辐射是频谱宽 强度大 稳定性好的脉冲式偏振光源 鉴于这些优点 它是进行光谱实验的理想光源 利用它 可以在很宽频域内得到材料的吸收光谱a 和反射光谱R 它们为核查材料的能带结构 电子态密度 为了解能量转移等过程提供有用的信息 利用这种光源获取固体能谱 进行表面势垒 表面性质 电了能态密度的研究 同步辐射产生的 射线可用于晶体结构分析 观察晶体缺陷和形貌 由于辐射产生的 射线强度大 完全偏振性 有利于探测灵敏度的提高 有利于各向异性的研究 同步辐射产生的软 射线在微电子制造业中还可用于光刻 第九节磁共振效应与核磁共振成像 在第三章第 节 曾述及一个磁矩为 的磁性原子 处于外加静磁场 中 一个能级会分裂为多个能级 这称为塞曼效应 磁矩 和角动量l成比例 即 l 为旋磁比 与l同向 与l反向 电子的运动属于这种情形 如果表征角动量l大小的角量子数为L 则该角动量对应的能级在静磁场中将分裂为2L十1个能级 在理想情况下 分裂能级的间距为 E 2 为磁矩 在静磁场 方向的投影 1 电子磁矩与电子自旋共振 EPR 电子有自旋角动量和自旋磁矩 也相当一个小磁铁 但电了自旋角动量量子数S 1 2 所以电子自旋处于静磁场中只能分裂出2S 1 2个能级 按上式 其能级间距 E 2 BB0电子自旋磁矩 式中 B为玻耳磁子 gS为电子自旋的g因子 电子磁矩与电子自旋共振 EPR 在外磁场中 电子自旋磁矩 s只允许有两个取向 这两个取向使 s在B0方向的投影分别为 B和 B 即平行和反平行于B0 如图6 18所示 两种取向对应的能量分别为 BB0和 BB0 能级间距2 BB0 除了外加静磁场B0外 如果又在频率满足h 0 2 BB0的高频电磁场作用下 则电子自旋由平行B0的状态跃迁到反平行B0的状态 这为共振吸收 如果由自旋反平行状态跃迁到平行状态 则称为共振发射 如果共振发射是在外磁场的h 0作用下发生的 则称为受激辐射 在静磁场B0作用下 发生电子自旋能级分裂 同时又在电磁场能量子h 0的作用下发生共振吸收或发射现象 称为电子自旋共振 1945年E Zavoisky第一个从顺磁盐中观察到了电子自旋共振现象 h 0 2 核自旋与核磁共振 NMR 原子核也有自旋和磁矩 0 也相当于一个小磁铁 核磁矩 n gn I I 1 1 2 N式中I为核自旋量子数 N eh 4 mp 5 05 10 27J T 为核磁子mp为质子质量 gn为核子g因子 核磁矩只有电子自旋磁矩的约0 1 当原子该中质子数和中子数都为偶数 核自旋I 0 即原子核无核磁矩 如6C12 8O16核等 当核的质子 中子数都为奇数 总核子数为偶数 核自旋量子数为整数 如1H2 7N14核等 而质子 中子数之和为奇数的核 核自旋量子数为半整数 1 2 3 2 如1H1 9F19核等 对于1H1即氢核 质子 I 1 2 所以在外加静磁场中也象电子自旋一样分裂为2I 1即如图6 18所示的两个能级 只是核磁矩 n在B0方向的投影 z 2 79 N能级间距 E 2 ZB0 2 2 79 NB0它比电子自旋情形时要小三 四个数量级 如果在施加静磁场情况下 同时加上能量子h 0 2 2 79 NB0的交变电磁场 能使核磁矩投影由平行于静磁场激发到反平行静磁场 共振吸收 或者反之 由反平行静磁场状态转变到平行静磁场状态 共振发射 核磁矩的这种共振跃迁 称为核磁共振效应 图6 16磁共振实验的原理性装置 核自旋与核磁共振 NMR 如果在施加静磁场的情况下 同时加上能量子h 0 2 2 79 NB0的交变电磁场 能使核磁矩投影由平行于静磁场激发到反平行静磁场 共振吸收 或者反之 由反平行静磁场状态转变到平行静磁场状态 共振发射 核磁矩的这种共振跃迁 称为核磁共振效应 电子自旋共振和核磁共振都是物质在静磁场和射频 电 磁场共同作用下的效应 磁共振实验的原理性装置如图6 19所示 静磁场B0加于Z方向 射频磁场加在X或Y方向 借用经典图象思考 静磁场使磁矩进动 而射频磁场使进动发生改变 表现为共振跃迁 通过共振信号的测量 可以测量电子磁矩和核磁矩 可以了解它们所处的周围环境和相互作用 通过共振信号的强弱和空间分布 可以了解核的分布密度 及其它 这是核磁共振断层成象技术 NMR 的依据 核自旋与核磁共振 NMR 对于原子 它们的磁矩来自电子磁矩和核磁矩 电子磁矩又来自轨道磁矩和前面所说的电子自旋磁矩 对于多电子原子 要根据原子的电子结构 电子轨道运动与自旋运动的耦合求出电子的总磁矩 当电子的总磁矩不为零时 原子的磁矩主要来自电子总磁矩 当电子总磁矩为零时 原子的磁矩就决定于核磁矩了 实验或生活中接触到的是宏观物体 它们是大量原子分子组成的 由于原子 分子微观磁矩的不同 及这些微观磁矩的相互作用的不同 物质可分为顺磁质 抗磁质和铁磁质三种 核磁共振多以抗磁质为样品 而且多数都是涉及 的核 对于抗磁质固体 可以看成核自旋系统和晶格系统的组合 其中的核自旋系统受磁场影响 核自旋系统和晶格系统要交换能量趋于热平衡 在无外磁场时 物质的总磁矩 mi 当然各分量 如 当在 方向加静磁场 时 将由零逐步达到饱和值 这变化过程的快慢可以用纵向弛豫时间 来表征 表示 由 上升到 所需的时间 在核磁矩磁化的过程中 系统由施加静磁场前的平衡态过渡到加磁场后的平衡态 为了使整个系统达于平衡态 能量将从自旋系统流向晶格系统 所以 又称为自旋 晶格弛豫时间 如果静磁场 出现后 总磁矩 的横向分量 M 并不为零 为了达到平衡态 最终它们一定要趋于零 这一过程进行的快慢用横向弛豫时间 来表征 在 M 趋向零的过程中 自旋系统能量并不发生变化 它是自旋系统内部通过自旋 自旋相互作用达到平衡的过程 所以T 又称为自旋 自旋弛豫时间 核磁共振现象是1946年美国哈福大学 urcel1教授和斯坦福大学 Bloch教授发现的 并因此于1952年获诺贝尔物理奖 1972年美国医生 Damadiam提出用核磁共振测定活体组织的纵向 横向弛豫时间 来诊断疾病的设想 1973年美国纽约州立大学石溪分校P C Lauterbur教授提出核磁共振成象方法 80年代便进入商品化阶段 国内外的大医院都设置了核磁共振断层成象系统 核磁共振成象系统主要组成部分有 主磁体 它是一个通电螺线管线圈 用于产生实现能级分裂的静磁场 匀场线圈 保证磁场的空间均匀性 使同样的核在空间不同位置有相同共振频率 梯度线圈 在 方位产生脉冲梯度磁场 以实现空间编码 核磁信号的空间定位 射频线圈 包括发射线圈和接收线圈 发射线圈用来发射射频脉冲 这些脉冲电磁能量被特定的核 如 核 共振吸收 当脉冲停止后 原子核又把这部分能量以电磁波形式发射出来 它就是核磁共振信号 它携带着被测物的内部信息 接收线圈用于检测这个核磁共振信号 计算机系统 它担任整个系统的指挥 控制 信息处理等 它从核磁共振信号中萃取出T 质于密度或核密度 等参数 实现图像的重构和显示 随着快速扫描核磁共振成象技术和血流成象技术的发展 最近又传来了振奋人心的好消息 核磁共振成象已能用于脑功能研究 用于大脑高级思维活动的研究也很有希望 核磁共振效应还可用于测定化学中复杂分子的结构 它在物理 化学 生物 医学等领域发挥着很好的作用 第十节生命系统的超微弱光于辐射效应 图 孽生辐射实验 这是什么原因所致呢 G