核磁共振成像（MRI）[ 2 ] I.I.拉比的实验

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核磁共振成像（mri）

[ 2 ] i.i.拉比的实验

    1929年，isidor isaac rabi开始在哥伦比亚大学教授量子力学。在接下来的十年中，他的研究小组使用一种被称为分子束共振的技术研究原子和分子的磁性特性。在rabi进行实验时，物理学家们知道原子核由两种微粒组成，即带正电的质子和被称为中子的中性微粒。而包围着原子核的模糊云状物是带负电的微粒——电子。物理学家还发现电子、质子和中子——在很多情况下还包括原子核本身都似乎是沿着各自的轴旋转，这同星球的自转非常相似。于是便产生了一种被称为“旋转角动量”的特性，这种动量是带有方向性和量级。而这些旋转的微粒产生了磁场和相关联的磁动量，就如同一小块磁铁一样也带有正极和负极。当被放进一个外部的强磁场中时，原子核的“磁动量”趋向于与外部的磁力线结合(平行于)或排斥(反平行)。在处于低能量状态时，磁力线趋向于平行排列，反之则趋向于反平行排列。

　　图解：二十世纪三十年代，哥伦比亚大学的isidor isaac rabi和他的研究小组开发出分子束磁共振技术用于研究分子、原子和原子核的磁性特性和内部结构。这为rabi赢得了1944年的诺贝尔物理奖。(《纽约时报》，barton silverman)


    rabi在实验中设法让氯化锂的分子束通过一个真空仓，然后通过不同的磁场操纵氯化锂分子束改变方向。通过研究磁场如何改变分子的方向，他可以了解到原子核磁力矩的量级。他预言，在合适的外界条件下，原子核的磁力矩可以被诱导着改变方向，或在磁场的影响下改变方向。1937年，在荷兰物理学家cornelius j. gorter的建议下，rabi和他的小组在实验中使用加入了新的思路：他们在改变磁场强度的同时让分子束通过无线电波——即在无线电频段或无线广播、频段中的电磁信号。


    他们如此做是由于旋转微粒的另一个特性。在一个外部磁场中，原子微粒的旋转带有颤动，这种旋转被称为球面旋转，这就如同一个小孩的头在踮脚的同时垂直绕动。原子核的磁力矩以特有的频率颤动，这取决于原子的种类(例如氢原子或锂原子)和其所处的环境。例如增加磁场强度会提高颤动频率，反之则降低频率。


    核磁共振成像技术利用的就是原子核的这些基本特性，尤其是其“磁力矩”的特性，也就是类似于带有正极和负极的磁铁的特性。当放进一个外部强磁场中时，磁铁的磁力矩方向会以与磁场强度成正比的频率沿着磁场的方向发生颤动。当外部磁场被操纵达到微粒的运动频率与施加的无线电波频率相同时，磁共振便会发生。这导致微粒的磁力矩根据外界磁场的变化而改变方向，而这时便可捕捉到透露了从化学元素到人类大脑的物质的内部结构及活动等一切信息的信号。

    rabi和他的小组调整磁场强度，直到他们引导原子核的磁力矩发生偏转。当无线电波信号频率同原子核特有的颤动频率相吻合时，这种情况便会发生。而当磁共振发生时，原子核便从无线电波信号中吸收能量，而这种能量正好同其两种能量状态间的差异相一致，这样原子核便跳跃到一种高能状态。当原子核从高能状态跌落回低能状态而发散能量时，原子核磁力矩的偏转也会发生。无论原子核跳跃到高能状态还是跌落回低能状态，rabi都可以检测到这种转换过程。他的技术在今天被称为核磁共振技术或者更精确地表述——分子束核磁共振技术。

    rabi的小组当时应用了新的技术来推论分子的内部反应，他们的推论细节是空前的。他们发现在单个的分子中的一系列共振，这使得他们可以“观察”到几个单独的原子如何碰撞到一起以及两个相临的原子如何相互作用。这些非凡的实验以及将分子束核磁共振开发成一种研究分子、原子和原子核的磁特性和内部结构的研究技术使得rabi赢得了1944年的诺贝尔物理奖。

    在该系列实验后的几个月中，rabi的小组还尝试将实验内容进行变形：不光要增加磁场强度，同时还改变无线电频率。这种将产生的信号传过频谱的方法同通过棱镜传播的可见光非常类似，并最终成为了无线电频率波谱学的基础。正是这种技术后来将革命性地改变了化学分析，而且至关重要地为实现将核磁共振检测技术发展为医学检测手段创造了必要的基础。