第一章 物质结构

第一章物质结构目录第一节原子结构第二节原子核结构第三节磁共振CONTENTS第四节磁共振现象的医学应用全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材学习目标掌握熟悉了解卢瑟福的

粒子散射实验的现象及重要意义；玻尔理论的基本假设；原子核结构核外电子结构核磁矩在外磁场中的进动；核磁共振现象及核自旋弛豫；磁共振现象的医学应用全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材01原子结构第一节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、揭示原子结构的实验基础

（一）

粒子的散射实验

粒子受铂的薄膜散射时，绝大多数平均只有2º~3º的偏转，但有1/8000的粒子偏转大于90º，其中有接近的180º

粒子散射的仪器装置卢瑟福，1911年，提出原子模型-核式模型

粒子在原子核式模型中的散射卢瑟福（二）氢原子光谱的实验规律棱镜摄谱仪氢原子光谱的巴尔末线系及其系限外的连续光谱氢原子光谱的经验公式里德伯常数k＝1，2，3，···；n＝k＋1，k＋2，k＋3，···剌曼系n=2,3,4···紫外巴尔末系n=3,4,5···可见光帕邢系n=4,5,6···红外二、玻尔的原子模型（一）玻尔假设第一，在原子内部存在一系列稳定的能量状态E1，E2，E3，···，当原子处在任一稳定能态时，电子绕原子核作圆周运动，虽有向心加速度，也不向外辐射能量。而且，只有当电子的角动量等于的整数倍的那些轨道才是可能的，即n=l，2，3，···

称为量子数第二，当原子从能量状态跃迁到能量状态时，它将发射（或吸收）一个单色的光子，其频率由下式决定原子状态间的跃迁玻尔（二）氢原子的波尔理论、原子能级电子的轨道半径只能取如此一系列的不连续值氢原子的电子轨道原子所具有的能量也不是连续的，这种不连续的能量状态，称为原子的能级氢原子能级三、原子核外的电子结构（一）空间量子化1.主量子数n

电子壳层可用主量子数表示主量子数n取1，2，3，…等数值时，相应的电子壳层也可用K、L、M、N、O、P、Q等符号表示2.角量子数l

同一电子壳层中电子又分成若干电子亚层，由角量子数l确定l可取0，1，2，…，（n-1），对应的电子亚层用s、p、d、f、g、h等符号来表示

3．磁量子数ml各种轨道平面的空间取向在角量子数l确定后，其量子轨道平面可有（2l＋1）个不同的取向4.自旋量子数ms电子有两种自旋状态，其自旋方向相反（二）电子的壳层结构泡利不相容原理：在同一原子中，不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数（n，l，ml，ms）主量子数为n的壳层中，可容纳的最多电子数（三）原子核外壳层电子的结合能把移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结合能02原子核结构第二节全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、原子核组成核子质子中子Z原子序数A质量数同位素：有相同的质子数而中子数不同的原子

同中子异核素：有相同的中子数而质子数不同的原子

同量异位素：有相同的核子数而质子数不同的原子同质异能素：有相同的质子数和中子数，只是能量状态不同

二、原子核结合能（一）几个有关的相对论公式1.质量与速度的关系2.动量与速度度的关系3.质量与能量的关系（二）原子核结合能质量亏损：原子核的质量都小于组成它的核子质量之和结合能：与质量亏损

M相联系的能量

M

c2，表示这些自由状态的单个核子结合成原子核时所释放出来的能量比结合能：把原子核的结合能除以此核内的总核子数A

比结合能曲线两弹一星精神两弹一星功勋奖章是中华人民共和国为表彰“两弹一星”事业的23位卓越的科学家而于1999年国庆50周年前夕由中共中央、国务院和中央军委授予的奖章。邓稼先王淦昌三、原子核能级核的能量，像原子那样是量子化的当一个核发生从高能级到低能级跃迁时，所发出的光子一般在电磁波谱的

射线区内四、原子核自旋与核磁矩1.原子核的自旋

原子核自旋情况由核的自旋量子数I来表征（1）质子数是偶数，中子数也是偶数的核。其自旋量子数I=0，这种核没有自旋（2）质子数和中子数一个是奇数、另一个是偶数的核。其自旋量子数I=1/2，3/2，5/2等半整数，这种核有自旋（3）质子数是奇数，中子数也是奇数的核。其自旋量子数，I=1，2，3等整数，这种核有自旋自旋角动量原子核角动量在空间某一选定方向（例如z轴方向）上的投影也是量子化的m为核自旋磁量子数，其可取的数值为I，I-1，···-I+1，-I，共有2I+1个值2.原子核的磁矩核磁矩

z也是量子化的，共有2I+1个可能的取值核的自旋及磁效应磁共振第二节03第三节一、核磁矩在静磁场中的进动根据角动量定理拉莫尔频率拉莫尔方程

自旋核在磁场中的旋进二、核磁共振现象

与B0相互作用的能量为核磁矩在静磁场中的能量也是量子化的静磁场B0中的核磁矩

两相邻能级的能量差为根据量子力学的选择定则，只有磁量子数之差

m=±1时，相邻两能级间的跃迁才是允许的核磁共振：当激励电磁波的频率

所决定的能量与两相邻能级之间能量差相等时，原子核两个能级之间的跃迁就会发生核磁矩在磁场中的能级图原子核发生共振吸收时的射频场的角频率等于自旋核在磁场中旋进的角频率，这就是核磁共振条件三、核自旋弛豫磁化强度矢量：组成物体的大量的原子核磁矩的矢量总和在平衡状态下，磁化强度矢量与外加磁场B0方向一致，磁化强度矢量的z分量Mz=M0，Mz被称为纵向分量，此时不存在横向磁化强度矢量Mxy

在垂直于B0的方向施加射频电磁波，如果足够多的能量被自旋核吸收，则有可能使自旋核达到饱和状态，即，Mz=0

，Mxy=M0弛豫过程：射频脉冲发射结束后，处于非热平衡状态的原子核系统将逐渐恢复为热平衡状态纵向弛豫：z分量即纵向分量Mz将逐渐增大，恢复到平衡状态的M0

横向弛豫：xy（平面）分量即横向分量Mxy将逐渐减少，直至Mxy=0弛豫曲线全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材纵向磁化强度矢量从零回复至最大值的63%时所需的时间为T1,称之为纵向弛豫时间，简称T1弛豫时间

横向磁化强度矢量从最大值减小至最大值的37%处时所需的时间为T2,称之为横向弛豫时间，简称为T2弛豫时间

04第四节磁共振现象的医学应用全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、核磁共振波谱分析技术核磁共振波谱：利用分子的化学位移来测定分子组成及空间构型的一种检测方法可以从谱线的宽度，形状和面积，谱线的精细结构来了解原子核的性质和原子核所处的环境乙基苯氢核磁共振波谱全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材目前用于医学MRS分析的原子核有1H、31P、13C、23Na、19F和15N1H-MRS可用来检测体内许多脂肪代谢、氨基酸代谢以及神经递质有关的微量代谢正常脑组织的1H-MRS二、磁共振成像技术磁共振成像MRI：主要是利用人体不同组织之间、正常组织与病变组织之间的氢核密度

、纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2、液体流速、液体的扩散和灌注、质子在不同分子环境中的化学位移、局域氧合、局域含铁以及膜的通透性等参数进行成像MRI设备分为三个部分：磁场系统，射频系统，图像重建系统磁共振成像系统的体系结构图其基本原理是利用一定频率的电磁波，向处于磁场中的人体照射，人体中各种不同组织的氢核，在电磁波作用下会发生核磁共振，吸收电磁波的能量，随后又发射电磁波。MRI系统探测到这些来自人体中的氢核发射出来的电磁波信号之后，经计算机处理和图像处理，得到人体的断层图像磁共振图像重建流程图3.0T0.5T医疗科技原始创新，医工交叉结硕果。我国医疗专家与医学工程专家联合攻关，解决高场强磁共振成像技术，为健康中国提供科学技术支撑。“高场磁共振医学影像设备自主研制与产业化”，获得了2020年度国家科技进步奖一等奖联影磁共振小结全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材1.卢瑟福通过

粒子散射实验，提出原子的核式模型结构，玻尔在氢原子光谱的实验基础上结合量子论提出了原子能级的结