西安交大創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)綜述報(bào)告

1、創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)綜述報(bào)告碩4006班 周陽(yáng) 31140080031 磁共振系列實(shí)驗(yàn)11詞條解釋外文名：Spin Magnetic Resonance Phenomenon磁共振指的是自旋磁共振（spin magnetic resonance）現(xiàn)象。其意義上較廣，包含核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、電子順磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）或稱(chēng)電子自旋共振（electron spin resonance, ESR）。此外，人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf(shuō)的磁共振，是指磁共振成像（Magnetic Resonance

2、 Imaging，MRI），其是利用核磁共振現(xiàn)象制成的一類(lèi)用于醫(yī)學(xué)檢查的成像設(shè)備。12發(fā)展簡(jiǎn)史磁共振是在固體微觀(guān)量子理論和無(wú)線(xiàn)電微波電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的。1945年首先在順磁性Mn鹽的水溶液中觀(guān)測(cè)到順磁共振，第二年，又分別用吸收和感應(yīng)的方法發(fā)現(xiàn)了石蠟和水中質(zhì)子的核磁共振；用波導(dǎo)諧振腔方法發(fā)現(xiàn)了Fe、Co和Ni薄片的鐵磁共振。1950年在室溫附近觀(guān)測(cè)到固體Cr2O3的反鐵磁共振。1953年在半導(dǎo)體硅和 鍺中觀(guān)測(cè)到電子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后從理論上預(yù)言和實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到亞鐵磁共振。隨后又發(fā)現(xiàn)了磁有序系統(tǒng)中高次模式的靜磁型共振 （1957）和自旋波共振（1958）。195

3、6年開(kāi)始研究?jī)煞N磁共振耦合的磁雙共振現(xiàn)象。這些磁共振被發(fā)現(xiàn)后，便在物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科和微波技 術(shù)、量子電子學(xué)等新技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如順磁固體量子放大器，各種鐵氧體微波器件，核磁共振譜分析技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)及利用磁共振方法對(duì)順磁晶體的晶場(chǎng)和能級(jí)結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和生物分子結(jié)構(gòu)等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數(shù)的測(cè)定也是以各種磁共振原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。磁共振成像技術(shù)由于其無(wú)輻射、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)研究。一些先進(jìn)的設(shè)備制造商與研究人員一起，不斷優(yōu)化磁共振掃描儀的性能、開(kāi)發(fā)新的組件。例如：德國(guó)西門(mén)子公司的1.5T超導(dǎo)磁共振掃描儀具有神經(jīng)成像組件

4、、血管成像組件、心臟成像組件、體部成像組件、腫瘤程序組件、骨關(guān)節(jié)及兒童成像組件等。其具有高分辨率、磁場(chǎng)均勻、掃描速度快、噪聲相對(duì)較小、多方位成像等優(yōu)點(diǎn)。13基本原理磁共振（回旋共振除外）其經(jīng)典唯象描述是：原子、電子及核都具有角動(dòng)量，其磁矩與相應(yīng)的角動(dòng)量之比稱(chēng)為磁旋比。磁矩M 在磁場(chǎng)B中受到轉(zhuǎn)矩MBsin（為M與B間夾角）的作用。此轉(zhuǎn)矩使磁矩繞磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)的角頻率=B,o稱(chēng)為拉莫爾頻率。由于阻尼作用，這一進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)很快衰減掉，即M達(dá)到與B平行，進(jìn)動(dòng)就停止。但是，若在磁場(chǎng)B的垂直方向再加一高頻磁場(chǎng)b（）（角頻率為），則b（）作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使M離開(kāi)B,與阻尼的作用相反。如果高頻磁場(chǎng)的角頻率與

5、磁矩進(jìn)動(dòng)的拉莫爾（角）頻率相等 =o,則b（）的作用最強(qiáng)，磁矩M的進(jìn)動(dòng)角（M與B角的夾角）也最大。這一現(xiàn)象即為磁共振。磁共振也可用量子力學(xué)描述：恒定磁場(chǎng)B使磁自旋系統(tǒng)的基態(tài)能級(jí)劈裂，劈裂的能級(jí)稱(chēng)為塞曼能級(jí)（見(jiàn)塞曼效應(yīng)），當(dāng)自旋量子數(shù)S=1/2時(shí)，其裂距墹E=gBB,g為朗德因子,為玻爾磁子，e和me為電子的電荷和質(zhì)量。外加垂直于B的高頻磁場(chǎng)b（）時(shí)，其光量子能量為啚。如果等于塞曼能級(jí)裂距，啚=gBB=啚B，即=B（啚=h/2，h為普朗克常數(shù)），則自旋系統(tǒng)將吸收這能量從低能級(jí)狀態(tài)躍遷到高能級(jí)狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），這稱(chēng)為磁塞曼能級(jí)間的共振躍遷。量子描述的磁共振條件=B，與唯象描述的結(jié)果相同。當(dāng)M是順磁體

6、中的原子（離子）磁矩時(shí)，這種磁共振就是順磁共振。當(dāng)M是鐵磁體中的磁化強(qiáng)度（單位體積中的磁矩）時(shí)，這種磁共振就是鐵磁共振。當(dāng)M=Mi是亞鐵磁體或反鐵磁體中第i個(gè)磁亞點(diǎn)陣的磁化強(qiáng)度時(shí)，這種磁共振就是由 i個(gè)耦合的磁亞點(diǎn)陣系統(tǒng)產(chǎn)生的亞鐵磁共振或反鐵磁共振。當(dāng)M是物質(zhì)中的核磁矩時(shí)，就是核磁共振。這幾種磁共振都是由自旋磁矩產(chǎn)生的，可以統(tǒng)一地用經(jīng)典唯象的旋磁方程dM/dt=MBsin相應(yīng)的矢量方程為d M/dt=（ M×B來(lái)描述?；匦舱駧щ娏Ｗ釉诤愣ù艌?chǎng)中產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。設(shè)電荷為q、質(zhì)量為m的帶電粒子在恒定磁場(chǎng)B中運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為v。當(dāng)磁場(chǎng)B與速度v相互垂直時(shí)，則帶電粒子會(huì)受到磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫

7、茲力作用，使帶電粒子以速度v繞著磁場(chǎng)B旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角頻率稱(chēng)為回旋角頻率。如果在垂直B的平面內(nèi)加上高頻電場(chǎng)E（）（為電場(chǎng)的角頻率），并且=c，則這帶電粒子將周期性地受到電場(chǎng)E（）的加速作用。因?yàn)檫@與回旋加速器的作用相似，故稱(chēng)回旋共振。又因?yàn)椴患痈哳l電場(chǎng)時(shí)，這與抗磁性相類(lèi)似，故亦稱(chēng)抗磁共振。當(dāng)v垂直于B時(shí)，描述這種共振運(yùn)動(dòng)的方程是d（mv）/dt=q（vB）,若用量子力學(xué)圖像描述，可以把回旋共振看作是高頻電場(chǎng)引起帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的朗道能級(jí)間的躍遷，滿(mǎn)足共振躍遷的條件是： =c。各種固體磁共振在恒定磁場(chǎng)作用下的平衡狀態(tài)，與在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)（回旋共振時(shí)為高頻電場(chǎng)）同時(shí)作用下的平衡狀態(tài)之

8、間，一般存在著固體內(nèi)部自旋（磁矩）系統(tǒng)（回旋共振時(shí)為載流子系統(tǒng)）本身及其與點(diǎn)陣系統(tǒng)間的能量轉(zhuǎn)移和重新分布的過(guò)程，稱(chēng)為磁共振弛豫過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)磁弛豫。在自旋磁共振的情形，磁弛豫包括自旋（磁矩）系統(tǒng)內(nèi)的自旋-自旋（S-S）弛豫和自旋系統(tǒng)與點(diǎn)陣系統(tǒng)間的自旋-點(diǎn)陣（S-L）弛豫。從一種平衡態(tài)到另一種平衡態(tài)的弛豫過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間，它是能量轉(zhuǎn)移速率或損耗速率的量度。共振線(xiàn)寬表示能級(jí)寬度，弛豫時(shí)間表示該能態(tài)壽命。磁共振線(xiàn)寬與磁弛豫過(guò)程（時(shí)間）有密切的聯(lián)系，按照測(cè)不準(zhǔn)原理，能級(jí)寬度與能態(tài)壽命的乘積為常數(shù)，即共振線(xiàn)寬與弛豫時(shí)間（能量轉(zhuǎn)移速度）成反比。因此，磁共振是研究磁弛豫過(guò)程和磁損耗機(jī)制的一種重要方法

9、。14試驗(yàn)方法通常，當(dāng)外加恒定磁場(chǎng)Be在0.11.0T（材料的內(nèi)磁場(chǎng)BBe）時(shí)，各種與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。這是因?yàn)樵雍速|(zhì)量與電子質(zhì)量之比至少1836倍的緣故。雖然觀(guān)測(cè)這兩類(lèi)磁共振分別應(yīng)用微波技術(shù)和無(wú)線(xiàn)電射頻技術(shù)，但其實(shí)驗(yàn)裝置的組成與測(cè)量原理卻是類(lèi)似的。磁共振實(shí)驗(yàn)裝置由微波（或射頻）源、共振系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)組成，如圖3。微波（或射頻）源產(chǎn)生一定角頻率（或頻率掃描）的電磁振蕩， 送到裝有樣品的共振系統(tǒng)（共振腔或共振線(xiàn)圈），共振系統(tǒng)中的高頻磁場(chǎng)b回旋共振時(shí)為電場(chǎng)E（）與磁場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)B 垂直，當(dāng)保持源的頻率不變而改變恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)掃描）

10、，或保持恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度不變而改變?cè)吹念l率（頻率掃描），達(dá)到共振條件=H 時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)便可測(cè)得樣品對(duì)高頻電磁能量的吸收Pa與磁場(chǎng)B（或頻率）的關(guān)系，即共振吸收曲線(xiàn),如圖4a。在共振信號(hào)微弱（例如核磁共振或順磁共振）的情況下，可以采用調(diào)制技術(shù)，測(cè)量共振吸收微分曲線(xiàn)，以提高檢測(cè)靈敏度。磁共振的重要參數(shù)是發(fā)生最大共振吸收的共振磁場(chǎng)Bo、共振線(xiàn)寬（相應(yīng)于最大共振吸收一半的磁場(chǎng)間隔）B、共振吸收強(qiáng)度（最大吸收P或共振曲線(xiàn)面積）和共振曲線(xiàn)形狀（包括對(duì)稱(chēng)性和精細(xì)結(jié)構(gòu)等）。當(dāng)共振曲線(xiàn)為洛倫茲線(xiàn)型時(shí)，共振微分曲線(xiàn)的極值間隔Bpp與共振線(xiàn)寬B具有簡(jiǎn)單的關(guān)系：。在采用頻率掃描代替磁場(chǎng)掃描時(shí)，相應(yīng)的共振曲線(xiàn)和參數(shù)中的磁場(chǎng)

11、B都換為角頻率，如共振頻率o，共振線(xiàn)寬等。在特殊情況下，還可以采用脈沖源、傅里葉變換、多次累積等技術(shù)來(lái)提高靈敏度或分辨率等。2 超聲波21詞條解釋外文名：ultrasonic (waves)超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟?lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20Hz-20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱(chēng)為“超聲

12、波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1兆赫茲-30兆赫茲。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大.在中國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用非常廣泛，可以對(duì)物品進(jìn)

13、行殺菌消毒。22產(chǎn)生原理聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀 態(tài)（或能量）的傳播形式。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽(tīng)覺(jué)的一般上限（20000Hz），人 們將這種聽(tīng)不見(jiàn)的聲波叫做超聲波。由于其頻率高，因而具有許多特點(diǎn)：首先是功率大，其能量比一般聲波大得多，因而可以用來(lái)切削、焊接、鉆孔等。再者由于它 頻率高，波長(zhǎng)短，衍射不嚴(yán)重，具有良好的定向性，工業(yè)與醫(yī)學(xué)上常用超聲波進(jìn)行超聲探測(cè)。1 超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿

14、直線(xiàn)傳播具有良好的束射性和方向性，1兆Hz=106Hz,即每秒振動(dòng)100萬(wàn)次，可聞波的頻率在16-20000HZ 之間）。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等 傳播規(guī)律，與可聽(tīng)聲波的規(guī)律沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽(tīng)聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性 超聲波的波長(zhǎng)很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長(zhǎng)大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線(xiàn)傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，該 特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高

15、，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。空化作用當(dāng)超聲波在介質(zhì)的傳播過(guò)程中，存在一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期，在正壓相位時(shí)，超聲波對(duì)介質(zhì)分子擠壓，改變介質(zhì)原來(lái)的密度，使其增大；在負(fù)壓相位時(shí)，使介質(zhì)分子稀疏，進(jìn)一步離散，介質(zhì)的 密度減小，當(dāng)用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)分子間的平均距離會(huì)超過(guò)使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離，液體介質(zhì)就會(huì)發(fā)生斷裂，形成微泡。這 些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高， 起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶

16、的液體（如水和油）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱(chēng)為超聲波的空化作用。23主要參數(shù)超聲波的兩個(gè)主要參數(shù)：頻率：F20KHz（在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)樾Ч嗨?，通常把F15KHz的聲波也稱(chēng)為超聲波）；功率密度：p= 發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2)，通常p0.3w/cm2。在液體中傳播的超聲波能對(duì)物體表面的污物進(jìn)行清洗，其原理可用“空化”現(xiàn)象來(lái)解釋?zhuān)撼?波振動(dòng)在液體中傳播的音波壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓時(shí)，其功率密度為0.35w/cm2，這時(shí)超聲波的音波壓強(qiáng)峰值就可達(dá)到真空或 負(fù)壓，但實(shí)際上無(wú)負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個(gè)很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞一

17、空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強(qiáng)反向達(dá)到最大時(shí)破裂，由 于破裂而產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊將物體表面的污垢撞擊下來(lái)。這種由無(wú)數(shù)細(xì)小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱(chēng)為“空化”現(xiàn)象。太小的聲強(qiáng)無(wú)法產(chǎn)生空化效應(yīng)。24超聲效應(yīng)超聲效應(yīng)：當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下4種效應(yīng)：機(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當(dāng)超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時(shí)，懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，

18、由于超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極化和感生磁化（見(jiàn)電介質(zhì)物理學(xué)和磁致伸縮）?？栈饔?。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開(kāi)”成一空洞，稱(chēng)為空化。空洞內(nèi) 為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周?chē)橘|(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周?chē)后w突然沖入氣泡 而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有 關(guān)。熱效應(yīng)。由于

19、超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)?；瘜W(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過(guò)氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng) 超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過(guò)程。 超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。25研究情況2014年1月，弗吉尼亞理工大學(xué)加里蘭研究所的科學(xué)家的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)表明，將超聲波直接作用于腦部特定區(qū)域，能增強(qiáng)人們對(duì)觸覺(jué)的

20、分辨能力。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)第一次證明了低強(qiáng)度、經(jīng)顱聚焦超聲波能調(diào)節(jié)人類(lèi)腦活動(dòng)，提高覺(jué)察能力。相關(guān)論文在線(xiàn)發(fā)表于自然·神經(jīng)科學(xué)上。研究人員對(duì)處理手部感覺(jué)的腦皮層區(qū)發(fā)送了聚焦超聲波。為了刺激中間神經(jīng)（沿手臂下來(lái)通過(guò)腕骨通道的一條神經(jīng)），他們 在志愿者手腕放了一個(gè)小電極，并用腦電圖（EEG）記錄其腦部反應(yīng)。然后在刺激神經(jīng)之前，瞄準(zhǔn)相應(yīng)腦區(qū)開(kāi)始發(fā)送超聲波。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲波能降低EEG信 號(hào)，削弱腦波對(duì)編碼觸覺(jué)刺激的反應(yīng)。研究人員隨后進(jìn)行了兩項(xiàng)傳統(tǒng)神經(jīng)學(xué)測(cè)試：兩點(diǎn)辨別和頻率辨別。前者檢查志愿者能否區(qū)分接觸皮膚的兩個(gè)相鄰物體是在不 同的兩個(gè)點(diǎn)；后者檢測(cè)志愿者對(duì)一串氣流頻率的敏感性。實(shí)驗(yàn)顯示，在辨別靠近物

21、體、連續(xù)氣流頻率的微小差異方面，接受超聲波的志愿者的覺(jué)察能力明顯提高。當(dāng) 研究小組將超聲波束從原來(lái)位置移動(dòng)了一厘米時(shí)，這種影響消失了。研究人員認(rèn)為，聚焦超聲波在它瞄準(zhǔn)的腦區(qū)部位，改變了處理感覺(jué)刺激時(shí)興奮與抑制的平衡，這種改變阻止了刺激興奮的擴(kuò) 展，使得覺(jué)知功能增強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了一種調(diào)節(jié)人腦活動(dòng)的非入侵式新方法，而且空間分辨率超過(guò)現(xiàn)有任何方法。基于相關(guān)的研究結(jié)果，研究人員認(rèn)為，超聲波的 經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱直流電刺激的空間分辨率更高。超聲波為精確掌握神經(jīng)回路活動(dòng)提供了技術(shù)和理論證明，有助于開(kāi)發(fā)神經(jīng)退行性紊亂病癥的潛在療法，也為探索正常人腦功能，理解認(rèn)知、決策與思維帶來(lái)了強(qiáng)有力的新工具。3 X光機(jī)系

22、列實(shí)驗(yàn)31 詞條解釋x光機(jī)是產(chǎn)生X光的設(shè)備，其主要由X光球管和X光機(jī)電源以及控制電路等組成，而X光球管又由陰極燈絲 （Cathod）和陽(yáng)極靶（Anode）以及真空玻璃管組成，X光機(jī)電源又可分為高壓電源和燈絲電源兩部分，其中燈絲電源用于為燈絲加熱，高壓電源的高壓 輸出端分別夾在陰極燈絲和陽(yáng)極靶兩端，提供一個(gè)高壓電場(chǎng)使燈絲上活躍的電子加速流向陽(yáng)極靶，形成一個(gè)高速的電子流，轟擊陽(yáng)極靶面后，99%轉(zhuǎn)化為熱量，1%由于康普頓效應(yīng)產(chǎn)生X射線(xiàn)。32 X光機(jī)的原理及構(gòu)造321X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴(WCRÖntgen)在研究陰極射線(xiàn)管 中氣體放電現(xiàn)象時(shí)，用一只嵌有兩個(gè)金屬電極

23、(一個(gè)叫做陽(yáng)極，一個(gè)叫做陰極)的密封玻璃管，在電極兩端加上幾萬(wàn)伏的高壓電，用抽氣機(jī)從玻璃管內(nèi)抽出空氣。為 了遮住高壓放電時(shí)的光線(xiàn)(一種弧光)外泄，在玻璃管外面套上一層黑色紙板。他在暗室中進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)距離玻璃管兩米遠(yuǎn)的地方，一塊用鉑氰化鋇溶 液浸洗過(guò)的紙板發(fā)出明亮的熒光。再進(jìn)一步試驗(yàn)，用紙板、木板、衣服及厚約兩千頁(yè)的書(shū)，都遮擋不住這種熒光。更令人驚奇的是，當(dāng)用手去拿這塊發(fā)熒光的紙板 時(shí)，竟在紙板上看到了手骨的影像。當(dāng)時(shí)倫琴認(rèn)定：這是一種人眼看不見(jiàn)、但能穿透物體的射線(xiàn)。因無(wú)法解釋它的原理，不明它的性質(zhì)，故借用了數(shù)學(xué)中代表未 知數(shù)的“X”作為代號(hào)，稱(chēng)為“X”射線(xiàn)(或稱(chēng)X射線(xiàn)或簡(jiǎn)稱(chēng)X線(xiàn))。

24、這就是X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)與名稱(chēng)的由來(lái)。此名一直延用至今。后人為紀(jì)念倫琴的這一偉大發(fā)現(xiàn)，又 把它命名為倫琴射線(xiàn)。X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)在人類(lèi)歷史上具有極其重要的意義，它為自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)開(kāi)辟了一條嶄新的道路，為此1901年倫琴榮獲物理學(xué)第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)金?？茖W(xué)總是在不斷發(fā)展的，經(jīng)倫琴及各國(guó)科學(xué)家的反復(fù)實(shí)踐和研究，逐漸揭示了X射線(xiàn)的本質(zhì)，證實(shí)它是一種波長(zhǎng)極短，能量很大的電磁波。它的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)更短(約在0001100nm，醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的X射線(xiàn)波長(zhǎng)約在0001。01nm之間)，它的光子能量比可見(jiàn)光的光子能量大幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)倍。因此，X射線(xiàn)除具有可見(jiàn)光的一般性質(zhì)外，還具有自身的特性。322 X射線(xiàn)的性質(zhì)(一)物理效應(yīng)1

25、穿透作用 穿透作用是指X射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)時(shí)不被吸收的能力。X射線(xiàn)能穿透一般可見(jiàn)光所不能透過(guò)的物質(zhì)。可見(jiàn)光因其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，光子其有的能量很小，當(dāng)射到物體上時(shí)，一部 分被反射，大部分為物質(zhì)所吸收，不能透過(guò)物體；而X射線(xiàn)則不然，因其波長(zhǎng)短，能量大，照在物質(zhì)上時(shí)，僅一部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過(guò)，表 現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。X射線(xiàn)穿透物質(zhì)的能力與X射線(xiàn)光子的能量有關(guān)，X射線(xiàn)的波長(zhǎng)越短，光子的能量越大，穿透力越強(qiáng)。X射線(xiàn)的穿透力也與物質(zhì)密度有關(guān)，密 度大的物質(zhì)，對(duì)X射線(xiàn)的吸收多，透過(guò)少；密度小者，吸收少，透過(guò)多。利用差別吸收這種性質(zhì)可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等軟組織區(qū)分開(kāi)來(lái)。這正是X射 線(xiàn)透視

26、和攝影的物理基礎(chǔ)。2電離作用 物質(zhì)受X射線(xiàn)照射時(shí)，使核外電子脫離原子軌道，這種作用叫電離作用。在光電效應(yīng)和散射過(guò)程中，出現(xiàn)光電子和 反沖電子脫離其原子的過(guò)程叫一次電離，這些光電子或反沖電子在行進(jìn)中又和其它原子碰撞，使被擊原子逸出電子叫二次電離。在固體和液體中。電離后的正、負(fù)離 子將很快復(fù)合，不易收集。但在氣體中的忘離電荷卻很容易收集起來(lái)，利用電離電荷的多少可測(cè)定X射線(xiàn)的照射量：X射線(xiàn)測(cè)量?jī)x器正是根據(jù)這個(gè)原理制成的。由于 電離作用，使氣體能夠?qū)щ姡荒承┪镔|(zhì)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在有機(jī)體內(nèi)可以誘發(fā)各種生物效應(yīng)。電離作用是X射線(xiàn)損傷和治療的基礎(chǔ)。3熒光作用 由于X射線(xiàn)波長(zhǎng)很短，因此是不可見(jiàn)的。但它照射到

27、某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等時(shí)，由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)狀態(tài)，原子回到基態(tài)過(guò)程 中，由于價(jià)電子的能級(jí)躍遷而輻射出可見(jiàn)光或紫外線(xiàn)，這就是熒光。X射線(xiàn)使物質(zhì)發(fā)生熒光的作用叫熒光作用。熒光強(qiáng)弱與X射線(xiàn)量成正比。這種作用是X射線(xiàn)應(yīng)用 于透視的基礎(chǔ)。在X射線(xiàn)診斷工作中利用這種熒光作用可制成熒光屏，增感屏，影像增強(qiáng)器中的輸入屏等。熒光屏用作透視時(shí)觀(guān)察X射線(xiàn)通過(guò)人體組織的影像，增感 屏用作攝影時(shí)增強(qiáng)膠片的感光量。4熱作用物質(zhì)所吸收的X射線(xiàn)能，大部分被轉(zhuǎn)變成熱能，使物體溫度升高，這就是熱作用。5干涉、衍射、反射、折射作用這些作用與可見(jiàn)光一樣。在X射線(xiàn)顯微鏡、波長(zhǎng)測(cè)定和物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中都得到應(yīng)

28、用。(二)化學(xué)效應(yīng)1感光作用 同可見(jiàn)光一樣，X射線(xiàn)能使膠片感光。當(dāng)X射線(xiàn)照射到膠片上的溴化銀時(shí)，能使銀粒子沉淀而使膠片產(chǎn)生“感光作用”。膠片感光的強(qiáng)弱與X射線(xiàn)量成正比。當(dāng)X 射線(xiàn)通過(guò)人體時(shí)，因人體各組織的密度不同，對(duì)X射線(xiàn)量的吸收不同，致綻膠片上所獲得的感光度不同，從而獲得X射線(xiàn)的影像。這就是應(yīng)用X射線(xiàn)作攝片檢查的基 礎(chǔ)。2著色作用 某些物質(zhì)如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X射線(xiàn)長(zhǎng)期照射后，其結(jié)晶體脫水而改變顏色，這就叫做著色作用。(三)生物效應(yīng)當(dāng)X射線(xiàn)照射到生物機(jī)體時(shí)，生物細(xì)胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使機(jī)體發(fā)生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變，稱(chēng)為X射線(xiàn)的生物效應(yīng)。不同的生物細(xì)胞，對(duì)X射線(xiàn)有不同的敏感度。楓X射線(xiàn)可以治療人體的某些疾病，如腫瘤等。 另一方面，它對(duì)正常機(jī)體也有傷害，因此要做好對(duì)人體的防護(hù)。X射線(xiàn)的生物效應(yīng)歸根結(jié)底是由X射線(xiàn)的電離作用造成的。 由于X射線(xiàn)具有如上種種效應(yīng)!因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，獲得了廣泛 的應(yīng)用，如工業(yè)探傷，晶體分析等。在醫(yī)學(xué)上，X射線(xiàn)技術(shù)已成為對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療的專(zhuān)門(mén)學(xué)科，在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中占有重要地位。33X光產(chǎn)生方式三種方式可產(chǎn)生X光：軔致輻射（Bremsstrahlung）、電子俘獲、內(nèi)轉(zhuǎn)換，x光機(jī)產(chǎn)生X光的機(jī)理屬于軔致輻射。電子俘獲：衰變包括3種方式