【X线基础】第二节 | 磁学基础知识

文摘   2025-01-06 17:17   福建  



第二章  医用物理与X线摄影基础


第二节 磁学基础知识
历年考点串讲

原子的自旋、核磁的概念、磁性和非磁性原子核、共振和磁共振现象、核磁弛豫都是磁学基础知识的重要内容,是常考的细节。


重点复习:


原子的自旋、核磁的概念、磁共振现象、核磁弛豫知识点。


常见的考题方式:


哪些原子核具有自旋特性;哪些原子核自旋可以产生核磁。


常考的细节有:


1.带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。

2.把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。

3.磁性原子核需要符合以下条件之一

(1)中子和质子均为奇数。

(2)中子为奇数,质子为偶数。

(3)中子为偶数,质子为奇数。

4.磁矩比电子磁矩约小3个数量级。

5.T1-自旋-晶格弛豫时间又称纵向弛豫时间。90°射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态的63%所需时间。

6.T2-自旋-自旋弛豫时间,又称横向弛豫时间。它是反映横向破化衰减、丧失的过程,即横向磁化维持到37%所需要的时间。



—、自旋和核磁的概念

质子和中子如不成对,将使质子在旋转中产生角动量-自旋,一个质子的角动量约为1.41×10-26Tesla,具备有了 “磁性原子核”。
任何原子核都有一个特性,就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转,我们把原子核的这一特性称为自旋(spin)由于原子核带有正电荷,原子核的自旋就形成电流环路,从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量,我们把这种带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。

二、磁性和非磁性原子核

并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁,根据原子核内中子和质子的数目不同,不同的原子核产生不同的核磁效应。

如果原子核内的质子数和中子数均为偶数,则这种原子核的自旋并不产生核磁,我们称这种原子核为非磁性原子核。反之,我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。

磁性原子核需要符合以下条件之一:
①中子和质子均为奇数;
②中子为奇数,质子为偶数;
③中子为偶数,质子为奇数。

实际上人体内有许多种磁性原子核,用于人体磁共振成像的原子核为氢原子核(1H),选择1H的理由有:
1H是人体中最多的原子核,约占人体中总原子核数的2/3以上;
1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。


三、共振和磁共振现象

(―)共振

共振是两个振动频率相同的物体,当一个发生振动时,引起另一个物体振动的现象。
共振在声学中亦称“共鸣,它指的是物体因共振而发声的现象,如两个频率相同的音叉靠近,其中一个振动发声时,另一个也会发声。
在电学中,振荡电路的共振现象称为谐振”。

产生共振的重要条件之一,就是要有弹性,而且一个物体受外来的频率作用时,它的频率要与后者的频率相同或基本相近。   
 
从电磁波谱看,微观世界中的原子核、电子、光子等物质运动的能量都是以波动的形式传递的。有一些微小粒子它们可以在共振的作用之下,在100万亿分之一秒的瞬间,互相结合起来,产生新的化学元素

人除了呼吸、心跳、血液循环等都有其固有频率外,人的大脑进行思维活动时产生的脑电波也会发生共振现象。

太阳光中含有大量紫外线。由于大气层中臭氧层的存在,当紫外线经过大气层时,臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振,因而就使这种振动吸收了大部分的紫外线,减少了伤害。

(二)磁共振现象

质子受到RF脉冲的激励,原来处在低能级的自旋质子被激发,即吸收电磁波的能量而改变能量状态,由低能级跃迁到高能级,这种现象就是磁共振现象。

固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作用下,在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象
在恒定外磁场作用下固体发生磁化,固体中的原磁矩均要绕外磁场进动。由于存在阻力,这种进动很快衰减掉。
但若在垂直于外磁场的方向上加一高频电磁场,当其频率与进动频率一致时,就会从交变电磁场中吸收能量以维持其进动,固体对入射的高频电磁场能量在上述频率处产生一个共振吸收峰。
若产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子(或离子)磁矩,则称为顺磁共振;若磁矩是原子核的自旋磁矩,则称为磁共振若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩,则称为铁磁共振。
磁矩比电子磁矩约小3个数量级,故磁共振的频率和灵敏度比顺磁共振低得多;同理,弱磁物质的磁共振灵敏度又比强磁物质低。

利用顺磁共振可研究分子结构及晶体中缺陷的电子结构等。
磁共振谱不仅与物质的化学元素有关,而且还受原子周围的化学环境的影响,故磁共振已成为研究固体结构、化学键和相变过程的重要手段。
磁共振成像技术与超声和X射线成像技术一样已普遍应用于医疗检查。铁磁共振是研究铁磁体中的动态过程和测量磁性参量的重要方法。

四、磁弛豫

弛豫时间有两种:
一种是自旋-晶格弛豫时间又称纵向弛豫时间。它是反映自旋核把吸收的能量传给周围晶格所需要的时间,也是90°射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态的63%所需时间,称T1
另一种是自旋-自旋弛豫时间,又称横向弛豫时间。它是反映横向磁化衰减、丧失的过程,即横向磁化维持到37%所需要的时间,称T2    


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