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六英里深处的核磁共振

核磁共振的工作原理

磁共振

自然界中的一种现象，即原子核可以吸收强磁场中存在的一定频率的电磁辐射。艾西德■艾萨克■瑞白（IsidorIsaacRabi），一位出生于澳大利亚的美国物理学家（1898—1988），于1938年最先发现磁共振现象。从那时起，磁共振开始被用于轻原子的探测（例如碳氢化合物中的氢原子），并成为一种研究人体的非破坏性方式。

同义字：NMR，核磁共振

源自Schlumberger油田服务油田术语表

核磁共振（NMR）仪器可以直接控制并探测原子核的运动。

核磁共振 种众所周知的响亮名字！但这是科学，名称不是为了听起来悦耳。请看以下词汇：

原子核-指由质子和中子组成的原子核，或仅有一个质子的氢核。

磁性-受磁场控制的核子运动。

共振-我们利用共振来有效地操纵磁场内的原子核。

地球和其它旋转磁体

许多原子核（并非全部）可被视为很小的条形磁铁，都有磁北极和磁南极。原子核以南北磁极连线为轴，以恒定速率旋转。

旋转条形磁铁在自然界中相当普遍。单个的铁原子、地球、太阳、多个行星和中子星等都属于旋转条形磁铁。与原子核相比，地球的地理北极（旋转轴）与北磁极并不完全重合，所以它是比较复杂的旋转条形磁铁。原子核的运转情况要好得多：它们的磁极与地理磁极恰好重合。

由单个质子组成的氢核具有磁性，而且它还是水、天然气和石油的重要组成成分。由于人类正在寻找碳氢化合物，所以对这些原子核尤为关注。

排列原子核磁体

通常，原子核的北极可以指向任意方向，如无外界干涉，它们的指向则没有限制。核磁共振测量法的第一步是通过放置一块大型磁铁来形成一个强磁场，然后将原子核磁体置于其中，使其按一定方式排列。这将使原子核排列成行，北极指向外部磁体的南极。磁性原子核很乐于被磁场重新排列。这会使它们处于一种舒适的状态，物理学家称之为平衡或低能。这就象是一个小孩懒洋洋地坐在操场的秋千上，哪儿也不想去。这儿就是他最开心的地方。

家庭实验：排列手掌上的原子核。所需材料：（1）一个吸在冰箱上的磁性物件；（2）您的手掌。操作步骤：将磁铁置于手上。大功告成！操作实在是太简单不过了。

干扰磁体

核磁共振测量法的第二步是让物体移动。这是通过另一磁场来完成的，而不是与原子核运动产生共振的那个磁场。

名为B1的振荡磁场垂直于永磁体B0的磁场。

片刻以后，原子核开始倾斜并在垂直于B0磁场的平面内旋转。

这就象是前面说的那个荡秋千的懒小孩一样，推动着他，但不必太用力。每次他接近弧顶并向前荡时，轻轻地推一下。这种被称为共振的轻轻推动可以增强规律性的往复运动。原子核的运动亦是如此。为使它们不指向大磁体，必须对其施加外力。

由于原子核是旋转的，所以其运动方式很象陀螺仪或玩具陀螺。当陀螺仪或玩具陀螺笔直指向地球的重力场时，它只是旋转。如果它与重力场呈某一角度，就会做一种称为旋进的轨道运动。旋进速度（远低于旋转速度）取决于陀螺仪的大小和形状，它的旋转速度及重力。

当原子核偏离强磁场的方向时，它也做旋进运动。旋进速度取决于原子核的属性（旋转速率等）以及磁场强度一这与陀螺仪很类似。这些属性是保持不变的，所以只需知道磁场强度就可以准确得出旋进频率。

也就是必须施加给原子核的推动频率，以使其偏离主磁场，产生旋进运

动。推力来自第二个磁场，该磁场的时间变化率与旋进速率相等-即可以与原子核运动产生共振。（核...磁...共振一是不是初具雏形了？）在前面那个荡秋千示例中，停止施加外力后，秋千在一段时间内仍将继续摆动。原子核也一样。它们所需要的只是一次持续10微秒（没错，是微秒）的快速无线电脉冲，即可使其维持长达数秒（没错，是秒）的运动。

您是否知道..哪种周期性变化的磁场可以在相等的时间间隔内对原子核施加外力？无线电传输。因为核磁共振设备具有与无线电台同样的电路板。某些核磁共振设备甚至使用与FM无线广播相同的频率，在88至108兆赫之间（每秒循环88至108兆次）。

监视原子核运动

即使您闭上眼睛，也能知道秋千还在摆荡。是怎么知道的呢？原来秋千上的小孩在大声喊叫个不停。

这一次，磁性原子核的情形仍与此非常类似。只要它们脱离大磁场中的队列，或者说，不再保持平衡状态，它们会辐射出无线电波。每个原子核都象一个很小的无线电台。并且毫无疑问，核磁共振设备的一部分是一个无线电接收器，在原子核移动时，可以捕捉到它们发出的信号。最早的核磁共振设备是二战时与雷达站一同建造的，在一套设备里，既有无线电发射机，又有接收机。

驰豫

孔隙直径颂）HMR驰豫时间（秒）

孔隙直径颂）

HMR驰豫时间（秒）

原子核非常象这个小孩。通过无线电波可以让它运动，在无线电发射机停止发射后的一段时间内，它仍可继续运动，但不是最佳状态。在核磁共振设备中，它会在永久