物理效應(yīng)及其應(yīng)用-其它物理效應(yīng)

上式描繪了一個(gè)振幅隨ｚ的增加而衰減，等相面以速度１／sin１沿Ｘ軸傳播的非均勻波－－消逝波。如圖６－1（a）所示，等幅面是平行界面ｚ＝常數(shù)的面等相面是垂直界面Ｘ＝常數(shù)的面如果界面有極微小的起伏，如圖６－1（b）所示，則等幅面也跟隨著起伏，表面的形貌信息便反映到等幅面形狀上了。依上式可知，

Z＝λ/2π√(n1sinθi)2－n22在處振幅下降為界面處的１/ｅ，ｚ為穿透深度。圖６－１光全反射

第一頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第1頁(yè)。光導(dǎo)纖維內(nèi)的全反射光的全反射現(xiàn)象用來(lái)制造光纖，用兩種折射率不同的玻璃拉成同軸電纜似的細(xì)細(xì)的光導(dǎo)纖維絲。如圖６－2所示，中心折射率大，外層折射率小，圖左表朋了折射率的徑向變化。由于全反射，光線經(jīng)受不斷反射向前傳播。將大量光纖集成一束（光纜），既可以傳送圖象，也可以傳送聲音。因?yàn)楣饫w有信息傳輸容量大，又可避免電磁干擾等特點(diǎn)，促使各國(guó)近年來(lái)不借耗資發(fā)展光纖通訊。圖６－２光導(dǎo)纖維光纖除用于通訊外，還可以制作各種光纖傳感器及各種特殊器件，如光纖陀螺等。第二頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第2頁(yè)。

現(xiàn)在，回到圖6-1(a)若在第二種媒質(zhì)(如空氣中)，象圖6-1(a)那樣，圖６－３光學(xué)隧道效應(yīng)

光通過(guò)折射率為n1的介質(zhì)發(fā)生全反射，在距離介質(zhì)n1和n2界面很近處，放一折射率為n3的棱鏡（n3

>n2，或等于n1，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，只要間隔足夠小(小于穿透深度），媒質(zhì)n1中的全反射會(huì)受到抑制，光線將能穿越n2進(jìn)入媒質(zhì)n3

區(qū)，這現(xiàn)象稱(chēng)為光學(xué)隧道效應(yīng)。它與電子穿透勢(shì)壘的隧道效應(yīng)類(lèi)似，是光的波動(dòng)性必然結(jié)果。光學(xué)隧道效應(yīng)可目來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的耦合，它在集成光學(xué)、光纖技術(shù)中十分有用。圖6-3（b）表明光信號(hào)向光波導(dǎo)薄膜的耦合。第三頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第3頁(yè)。

圖6-4明兩條光纖通過(guò)光學(xué)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)耦會(huì)構(gòu)成邁克遜干涉儀式的光纖通訊系統(tǒng)。圖中光耦合器是通過(guò)燒融或磨合將兩根光纖的一部分靠得很近，在此，可以由光學(xué)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)耦合。圖６－４光耦合與光通訊從光源傳入光纖ａ段的光，在耦合器一分為二，一路沿ｂ，一路沿C，這兩路光在光纖端面被反射，這兩路反射光經(jīng)耦合器合光進(jìn)入ｄ段，由光電探測(cè)器接收，即ｂ，ｃ兩段的光程差決定了光電探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度。現(xiàn)在若把錄音機(jī)或收音機(jī)輸出的音頻信號(hào)電壓加到壓電陶瓷上，電信號(hào)就變成了壓電陶瓷的機(jī)械振動(dòng)，引起ｃ段光程，即ｂ、ｃ兩段的光程差發(fā)生變化，使音頻信號(hào)載于光波之上，光探測(cè)器接收的干涉信號(hào)也就隨音頻而變化。再把這信號(hào)放大推動(dòng)揚(yáng)聲器，便完成了聲音從光纖的一端到另一端的傳遞。光纖耦合器起到邁克遜干涉儀中分束器的作用，在這里實(shí)現(xiàn)分光和合光，其中一根光纖纏繞在圓柱形壓電陶瓷上、壓電陶瓷的徑向伸縮可改變光纖的長(zhǎng)度，相當(dāng)邁克遜干涉儀中反射鏡的移動(dòng)，起到了改變光程的作用。第四頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第4頁(yè)。

光纖器件有體積小、重量輕、寬頻帶、容量大等優(yōu)點(diǎn)，正在軍事和高新技術(shù)中越來(lái)越受到重視。新近，利用光隧道效應(yīng)原理發(fā)展了一種探側(cè)表面形貌的激光光隧道顯微鏡。由圖６－１（ｂ）可見(jiàn)，消逝波的等幅面包含表面形貌信息，用一根光導(dǎo)纖維做成的探針，掃描等幅面，就可得知表面“地形”，因?yàn)楣馑淼佬?yīng)，光纖探針?biāo)教幍娜瓷涫艿揭种?，有光隧穿進(jìn)入光纖的光可由光電探測(cè)器檢測(cè)。圖６－5表明激光光隧道顯微鏡的示意方塊圖，激光束打在樣品表面，形成消逝場(chǎng)，圖６－５光隧道顯微鏡示意圖在壓電陶瓷掃描控制系統(tǒng)的控制下，讓光纖探頭對(duì)消逝場(chǎng)作等場(chǎng)強(qiáng)（等幅面）掃描，根據(jù)光電倍增管反饋回的信號(hào)，在掃描Ｘ，Ｙ時(shí)。調(diào)節(jié)探針的高度Ｚ，使光電倍增管的信號(hào)在掃描中保持在一個(gè)給定的值，提?。亍ⅲ傥恢脤?duì)應(yīng)的Ｚ，經(jīng)圖象處理和顯示系統(tǒng)就可看到樣品表面的形貌圖象。第五頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第5頁(yè)。第二節(jié)彈光效應(yīng)

1816年SirDavldBrewstet發(fā)現(xiàn)透明的各向同性物質(zhì)會(huì)由于應(yīng)力而出現(xiàn)光學(xué)各向異性，原來(lái)不具雙折射的各向同性物質(zhì)表露出力致雙折射的現(xiàn)象，稱(chēng)為彈光效應(yīng)（photoclasticity）。圖6－6彈光效應(yīng)如圖6－６（a）所示，將試樣放在兩個(gè)光軸互相垂直的偏振片之間，自然光通過(guò)偏振片１成為偏振光照射在試樣上，當(dāng)對(duì)試樣加壓，在偏振片２之后便可觀察到彩色干涉條紋。這是因?yàn)榧訅汉?，試樣成了人為雙折射物質(zhì)，光軸如圖中虛線所示。平行主截面（e光一非常光）的光振動(dòng)和垂直主截面（o光一尋常光）的光振動(dòng)的傳播速度，或試樣對(duì)二者表現(xiàn)的折射率不同,e光、o光折射率之差與壓強(qiáng)P的關(guān)系為：ｎｅ－ｎ０＝ＫＰ式中K為比例系數(shù)。各向同性的透明材料，在壓力或拉力作用下好似成了負(fù)的或正的單軸晶體，光軸處于應(yīng)力方位，誘導(dǎo)出的雙折射效應(yīng)正比于應(yīng)力。第六頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第6頁(yè)。彈光效應(yīng)壓強(qiáng)造成試樣內(nèi)部的應(yīng)力，應(yīng)力的存在，改變了材料的光學(xué)性質(zhì)。不是所有物質(zhì)都有明顯的彈光效應(yīng)，環(huán)氧樹(shù)脂，玻璃，賽璐璐等為彈光敏感物質(zhì)。彈光效應(yīng)提供了研究機(jī)械零件，建筑構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布的一個(gè)有力方法，在材料力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域構(gòu)成了光彈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的方法是用環(huán)氧樹(shù)脂仿照實(shí)物制作一個(gè)縮小的模型，按實(shí)際運(yùn)行中受力情況對(duì)模型施加外力，象圖６－６(b)那樣將模型置于兩個(gè)光軸互相垂直的偏振片之間，通過(guò)偏振片2就可觀察到如圖６－６(C)所示的干涉條紋，偏光干涉條紋的分布反映了試樣中應(yīng)力的分布。條紋密集的地方應(yīng)力大，稀疏之處應(yīng)力小，依此可對(duì)應(yīng)力分布作定性了解，隨著光彈技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，采用激光作光源發(fā)展出基于二次曝光的全息光彈技術(shù)，使光彈技術(shù)更趨完美。有些材料如玻璃，由于加工制造，內(nèi)部會(huì)存在內(nèi)應(yīng)力，縱使不施加外力力，也能觀察到偏光干涉條紋，因此彈光效應(yīng)也可用來(lái)檢查玻璃器件（如透鏡）中是否存主內(nèi)應(yīng)力。第七頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第7頁(yè)。

第三節(jié)激光致冷和“光鑷”效應(yīng)

激光致冷的設(shè)想是TheodorHansch和ArthurSchawlow于１９７５首先提出來(lái)的，它是利用激光的輻射壓力阻尼中性氣體原子熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到降低溫度的。如圖6-7所示，在激光致冷實(shí)驗(yàn)中，原子射束中的原子，使反向傳播的激光束中的光子發(fā)生共振散射，原子速度便減慢下來(lái)。圖6-7激光束對(duì)原子產(chǎn)生的散射力ｆ散

光于被原子共振散射,可分成兩步來(lái)考慮:原子吸收光子和原子發(fā)射光子，在吸收光子的瞬間，原子在光子傳播方向即原子運(yùn)動(dòng)的相反方向獲得了動(dòng)量增量，形成了對(duì)原子的阻力，在原子發(fā)射光子的瞬間，由于發(fā)射沒(méi)有特定的方向，向各個(gè)方向發(fā)射的幾率相等，因此原子發(fā)射光子的平均沖力為零。大量光子不斷被吸收，原子獲得一連串沖擊阻力，由上可知，光子原子共振散射的凈效果是原子在運(yùn)動(dòng)的相反方向受到阻力，稱(chēng)為散射力。散射力大小比例于光子動(dòng)量和散射速率（即單位時(shí)間內(nèi)原子散射光子數(shù)目）。在共振散射時(shí)，散射力最大,隨著原子速度減小,由于多普勒效應(yīng)，共振散射條件得不到滿足，阻尼效果變壞。為了在原子減慢下來(lái)時(shí)，仍保持大的阻尼散射力，一個(gè)曾經(jīng)用過(guò)的方法是調(diào)諧激光頻率，以抵消多普勒頻移。第八頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第8頁(yè)。

一個(gè)無(wú)需調(diào)諧光頻率的方法是采用兩束反向傳播的激光照射中性原子，一束與中性原子運(yùn)動(dòng)方向相反，一束與中性原子運(yùn)動(dòng)方向相同。由于多晉勒效應(yīng)，中性原子感受到反向傳播的光束其頻率升高，而同向光束頻率降低。對(duì)于前者，光子的散射幾率較大，所以二者的總效果仍然是在與中性粒子運(yùn)動(dòng)的相反方向產(chǎn)生散射力。為了使中性原于的三維運(yùn)動(dòng)受到阻尼，需使用三組互相垂直的反向傳播的激光束照射中性原子,這樣,中性原子各方位的熱運(yùn)動(dòng)被減慢而冷卻，即激光致冷原理。利用激光冷卻原子或離子，使速度減慢甚至靜止，用激光已可冷卻到“毫升”的范圍，新近已用激光使一束鈉原子實(shí)際上達(dá)到了靜止?fàn)顟B(tài)。激光致冷的主要?jiǎng)訖C(jī)是要消除發(fā)光原子一級(jí)多普勒頻移和二級(jí)多普勒頻移（對(duì)后者，頻移與粒子動(dòng)能成正比），以建立更好的頻率標(biāo)準(zhǔn)，已有人建議將光學(xué)頻標(biāo)作為下一代原子鐘的候選者。頻標(biāo)對(duì)計(jì)時(shí)、導(dǎo)航和精密計(jì)量極為重要。

如果使光束的光強(qiáng)形成一定的分布（如高斯型的光強(qiáng)分布），光場(chǎng)從中性粒子誘導(dǎo)的偶極子將趨于移到局部光強(qiáng)極大處，這樣一個(gè)光束的中心線好象一個(gè)中性粒于的“陷阱”，能抓住或陷入冷卻的中性粒子，使之隨著光束的移動(dòng)而移動(dòng)，這光束象一把鑷于，這現(xiàn)象稱(chēng)為“光鑷”效應(yīng)。利用激光的“光鑷”效應(yīng)可以捕獲并操縱中性粒子，“光鑷”技術(shù)在細(xì)胞、線粒體和染色體等三個(gè)不同生物學(xué)層次的研究中有重要的應(yīng)用，己有人利用“光鑷”于將單個(gè)DNA分子拉直，觀察微生物在光鑷中的運(yùn)動(dòng)等。第九頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第9頁(yè)。

第四節(jié)麥克斯韋－瓦格納效應(yīng)

設(shè)想電容器的兩個(gè)極板間填滿介電常數(shù)ｉ和電導(dǎo)率i不同的不均勻物質(zhì)，當(dāng)施加階躍電壓時(shí)，在開(kāi)始瞬間，電勢(shì)分布僅決定于介電常數(shù)ｉ的分布，與電導(dǎo)率i（或電阻率ｉ＝1/i）無(wú)關(guān)。但電勢(shì)的穩(wěn)定分布僅決定于電阻率ｉ的分布。這里是按非常理想的情況，忽略不同介質(zhì)邊界上電荷積累的影響考慮的。

這種非均勻介電常數(shù)短時(shí)間（或高頻）的“電容性”電壓分布，演變?yōu)榉蔷鶆螂娮杪实拈L(zhǎng)時(shí)間（或低頻）的電阻性電壓分布的弛豫現(xiàn)象，稱(chēng)為麥克斯韋－瓦格納效應(yīng)。第十頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第10頁(yè)。

麥克斯韋－瓦格納效應(yīng)

可以通過(guò)分析如圖6-8所示的雙層結(jié)構(gòu)來(lái)理解這個(gè)效應(yīng),圖(a)表示介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為１、２和１、２的雙層結(jié)構(gòu)，圖（b）表示它的等效電路。如果給圖(b)電路加一階躍電壓,這階躍電壓的前沿突變部分對(duì)應(yīng)著高頻分量，平頂恒定部分對(duì)應(yīng)低頻或直流分量，電容對(duì)高頻分量顯示低阻抗，對(duì)低頻分量顯示高阻抗，對(duì)直流分量相當(dāng)無(wú)窮大阻抗。圖６－８雙層電容和它的等效電路

階躍的起始時(shí)刻（高頻作用），電容C阻抗小，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電阻可看成斷路，因此電壓按電容分布，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定后（直流作用）與電阻相比，電容可以看成斷路，電壓按電阻分布，由電壓按電容分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷喊措娮璺植?，這會(huì)有一個(gè)過(guò)渡（弛豫）過(guò)程，這可以依歐姆定律列出微分方程來(lái)求解電壓分布的時(shí)間變化。對(duì)于１、、１混雜分布的介質(zhì)，可以想象成一個(gè)復(fù)雜阻容網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)某兩點(diǎn)之間接入驅(qū)動(dòng)電壓，然后探測(cè)各點(diǎn)的電勢(shì)分布，電勢(shì)的分布與阻容（１、、１）分布相關(guān)聯(lián)。利用這個(gè)道理可以獲取材料的電阻抗的“像”，以確定不均勻系統(tǒng)的局域狀況，這種技術(shù)已經(jīng)成功地在生物系統(tǒng)和醫(yī)療中得到應(yīng)用，可以形成類(lèi)似CT一樣的斷層照片。第十一頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第11頁(yè)。第五節(jié)卡斯米爾效應(yīng)

什么是真空？真空詞容易使人想到一無(wú)所有。可能還有人保待著１7世記智者的觀念認(rèn)為創(chuàng)造一個(gè)真空就是將其中的物質(zhì)掏空，特別是要把氣體抽走。到１９世紀(jì)末2０世紀(jì)初，人們了解了熱輻射，于是覺(jué)得17世紀(jì)的真空觀念中，原來(lái)也不是一無(wú)所有，里面還有熱輻射呢。自然有人想到熱輻射是可以通過(guò)降低溫度來(lái)減弱的，減到絕對(duì)零度熱輻射便被徹底消除了。達(dá)到絕對(duì)零度是否達(dá)到了真正的真空？1948年荷蘭菲利普研究所的Ｈ．Ｂ．Ｇ．卡斯米爾做實(shí)驗(yàn)、研究靠得很近的金屬板之間的力。當(dāng)然，板上若帶正負(fù)電荷q，近似成無(wú)限平板，根據(jù)靜電學(xué)可以預(yù)見(jiàn)它們之間的相互吸引力為Ｆ＝q2/20S

(S為平板面積)，這已作為習(xí)題編人了許多大學(xué)物理教科書(shū)中，卡斯米爾實(shí)驗(yàn)和分析的不是這種帶電的情形。

不帶電的兩塊金屬板，相距很近時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種相互吸引的力，這稱(chēng)為卡斯米爾效應(yīng)。第十二頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第12頁(yè)?？ㄋ姑谞栃?yīng)

設(shè)想空間沒(méi)有任何氣體分于，但存在熱輻射，每塊板的兩面都受到電磁波的撞擊（反射波、入射波形成如圖６－９（b）的駐波），力趨于抵消，但不是完全抵消，還有一部分抵消不了的殘余力，這力與板面積成正比，還決定干兩板之間的距離和電磁輻射的能譜，方向趨于使兩板靠近。圖６－９（ｂ）表明電磁波反射形成駐波的示意，在兩板之外的空間，各種波長(zhǎng)的駐波都可形成，而兩板之間垂直板面的方位＞2Ｄ的電磁波不能形成駐波，對(duì)一塊板來(lái)說(shuō)，明顯地出現(xiàn)了不平衡。熱輻射在溫度降至0°K使消失，因此在0°K下，兩板的吸力應(yīng)消除，但實(shí)驗(yàn)否定了這一預(yù)言。第十三頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第13頁(yè)。卡斯米爾效應(yīng)1958年荷蘭物理學(xué)家M.J.Sparnaay在卡斯米爾設(shè)想下進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度降到極低，力也不趨于零，縱使0°K，這殘余力仍存在，且查清這力與板面積成正比，與兩板間距離的四次方成反比，比例常數(shù)為1.3X10-18爾格·厘米。當(dāng)面積為１ｃｍ２相距0.5m，兩板間的卡斯米爾力相當(dāng)于0.2毫克力。這就說(shuō)明，縱使0°K，真空也不是一無(wú)所有，仍然存在電磁輻射場(chǎng),這輻射稱(chēng)為零點(diǎn)輻射。正是這種輻射場(chǎng)形成了Sparnaay所測(cè)量到的兩板吸引力。真空似空非空，縱使空間不存在實(shí)物，也不存在熱輻射，那空間仍存在零點(diǎn)電磁輻射場(chǎng)，它是真空固有的特征，是目前還無(wú)法消除的?？ㄋ姑谞枌?shí)驗(yàn)中測(cè)得的力有兩個(gè)分量，一是熱輻射產(chǎn)生的力，它正比于溫度，反比于兩板間距離的三次方，這個(gè)力到0K時(shí)消失；另一個(gè)分量是零點(diǎn)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的，它與溫度無(wú)關(guān)，與兩板間距離的四次方成反比。零點(diǎn)輻射有什么特點(diǎn)？它應(yīng)該是空間均勻、各向同性的、零點(diǎn)輻射能譜應(yīng)與觀察者速度無(wú)關(guān)。為了保持洛侖茲變換下的能譜不變性，任意頻率的輻射強(qiáng)度應(yīng)與頻率的三次方成正比，比例常數(shù)為普朗克常數(shù)之半，即3.3x10-27爾格·秒，只有這樣才能使頻率隨觀察者速度的變化（多普勒效應(yīng)）與強(qiáng)度隨觀察者速度的變化相抵償，而使頻譜與觀察者速度無(wú)關(guān)?？ㄋ姑谞柡蚐parnaay的實(shí)驗(yàn)表明零點(diǎn)電磁場(chǎng)的存在。對(duì)零點(diǎn)場(chǎng)正在探索中,隨機(jī)電動(dòng)力學(xué)是探討零點(diǎn)場(chǎng)的理論之一。第十四頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第14頁(yè)。第六節(jié)同位素效應(yīng)與激光同位素分離

原子核中質(zhì)于數(shù)相同、中子數(shù)不同、處于元素周期表中同一位置的原子謂之同位素。或者說(shuō)是同一元素的不同原子，它是1910年索迪根據(jù)放射性的實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)現(xiàn)的，并因此于1921年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。每種元素的同位素?cái)?shù)目不同，有的具有3種、4種、甚至10種同位素。（如錫）也有僅1種原子的元素。(如鈹)。最普通的氫元素有3種同位素，分別為氕(氫)、氘(重氫)、氚(超重氫)，氕與氧生成普通水（H2O），氘與氧氣生成重水（HDO，H2O）。鈾有Ｕ２３４、Ｕ２３５、Ｕ２３８三種同位素。同位素的主要差別表現(xiàn)在核性質(zhì)上，原子核的體積大小，核電荷的分布是不同的.核性質(zhì)差別首先表現(xiàn)在放射性上。如Ｕ(鈾)的三種同位素中,U235在熱中子和慢中子作用下會(huì)發(fā)生裂變反應(yīng)；U238僅在快中子作用下才發(fā)生裂變反應(yīng)；U234無(wú)論在什么情況下也不發(fā)生裂變。硼的兩種同位素中，Ｂ10能有效地吸收熱中子，而B(niǎo)11不具這種特性，故B10可做核反應(yīng)堆的控制捧材料。第十五頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第15頁(yè)。同位素效應(yīng)與激光同位素分離然而，同種元素的同位素的物理化學(xué)性質(zhì)卻很相似。通常同種元素的同位素混合在一起參與化學(xué)反應(yīng)和物理變化，如水在一個(gè)大氣壓下于１００°C沸騰，人們幾乎未能感受到含量極微的重水對(duì)沸點(diǎn)的影響；同位素的化學(xué)性質(zhì)也基本相同，在低分辯率的光譜儀中，它們的光譜特性大致相同，倘若采用足以看清光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)的高分辯率光譜儀，同種元素的同位素的光譜位移和差別就可展現(xiàn)在眼前。這種同位素光譜頻率的微小位移，稱(chēng)為同位素效應(yīng)。同位素頻譜的位移是由于核質(zhì)量、核體積和核電荷分布的不同所致。通過(guò)分析研究，質(zhì)量引起的位移效應(yīng)和體積引起的位移效應(yīng)正好相反。第十六頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第16頁(yè)。同位素效應(yīng)與激光同位素分離相對(duì)位移

/

1/M2（M為原子核質(zhì)量），對(duì)中子數(shù)小于５０的輕元素，同位素頻移主要來(lái)自于質(zhì)量效應(yīng)；對(duì)中于數(shù)大于５０的重元素，同位素效應(yīng)主要來(lái)自體積因素。同種元素同位素光譜有位移，說(shuō)明同位素的能級(jí)結(jié)構(gòu)有差別。同位素的應(yīng)用極為廣泛，可以用作核燃料，如鈾２３５，钚２３９等是用于原子彈和核反應(yīng)堆的重要核燃料，氘、氚是核聚變的重要燃料，同位素在能源舞臺(tái)扮演著重要角色。放射性同位素，可以作為“示蹤原子”探索復(fù)雜、微妙的物理化學(xué)過(guò)程和有機(jī)體中的新陳代；醫(yī)學(xué)上可以用同位素進(jìn)行診斷和治療，以及藥理生理研究，，總之，同位素已廣泛用于工、農(nóng)，醫(yī)、科學(xué)研究的各個(gè)方面。同位素有如此廣泛的應(yīng)用，從混合物中分離出同位素就顯得特別重要。歷史上，人們?cè)捎眠^(guò)多種方法來(lái)分離同位素，如電磁分離法、氣體擴(kuò)散法、氣體離心法，化學(xué)交換法等。電磁分離法是將同位素高溫汽化并電離，然后通過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)區(qū)，利用洛論茲力，使質(zhì)量不同的同位素分離，與通常所說(shuō)的質(zhì)譜儀的原理一樣；氣體擴(kuò)散法是讓氣體通過(guò)多級(jí)多孔膜進(jìn)行擴(kuò)散，跑在最前面的是那些質(zhì)量小的同位素。第十七頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第17頁(yè)。圖６－１０激光同位素分離

隨著單色性好、強(qiáng)度極高的激光的出現(xiàn)，興起了一種新的同位素分離方法－一激光同位素分離。它依據(jù)的就是同位素效應(yīng)，循同位素原子光譜或同位素化合物的分子光譜上的差別或頻移，利用激光的高度單色性、高強(qiáng)度和頻率可調(diào)，將同位素混合物中感興趣的某種同位素激發(fā)到高能級(jí)激發(fā)態(tài)，而其它同位素未受激發(fā)，利用受激同位素原子(或分子）與未受激同位素在物理或化學(xué)性質(zhì)上的不同，再采用適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)方法將它們分離,其方法有光電離法、光壓法、光化學(xué)法等.圖６-10(a)表明了兩種同位素的能級(jí)位移，實(shí)線代表一種同位素的基態(tài)、激發(fā)態(tài)和電離態(tài)能級(jí)，虛線代表另一種同位素的對(duì)應(yīng)能級(jí)。用一束單色性極好、頻率為１的激光,照射同位素混合氣,由于光子的單色性，僅使ｈ１ｅ１ｇ的那種同位素共振躍遷到激發(fā)態(tài)，其它同位素仍處于基態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的同位素容易電離，若再以另一頻率為２的激光照射，處于激發(fā)態(tài)的同位素便電離成正離子，具有負(fù)高壓的收集極便可將正離子收集，以達(dá)分離目的，這就是光電離法的原理，圖６-10(b)示意地表明了這一過(guò)程。第十八頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第18頁(yè)。同位素效應(yīng)與激光同位素分離圖６－１１表明了激光光壓法分離同位素的過(guò)程。圖６－１１光壓法

從原子爐中蒸發(fā)出來(lái)的原子束，受到垂直方向射來(lái)的激光照射，使其中的一種同位素處于共振激發(fā)態(tài)，并受到光壓力,從而發(fā)生偏折而被分離出來(lái)。激光同位素分離獲得重視，那是因?yàn)樗^常規(guī)分離法有分離系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。第十九頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第19頁(yè)。

第七節(jié)正、負(fù)電湮滅效應(yīng)

由薛定諤方程描繪的非相對(duì)論量子理論臻于完善以后，物理學(xué)家們謀劃著把20世紀(jì)兩個(gè)重要的理論－量子論和相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)。1928年著名的理論物理學(xué)家保羅·狄拉克首先提出了服從相對(duì)性原理的電子波動(dòng)方程（后人稱(chēng)為狄拉克方程）。這方程成功地得出了相對(duì)論電子定有自旋，但奇怪的是狄拉克方程還出現(xiàn)了負(fù)能解，狄拉克沒(méi)有把它看作沒(méi)有意義而拋棄掉。相反,他提出了各種假設(shè),追逐負(fù)能解的內(nèi)涵,最后預(yù)示自然界有正電子存在。1932年8月20日Ｃ．Ｄ．安德森從威爾遜云霧室的宇宙射線徑跡照片中，發(fā)現(xiàn)了正電子的行蹤，終于證實(shí)了狄拉克的預(yù)見(jiàn)，窺視到了第一個(gè)反粒子。正電子有與電子相同的質(zhì)量和自旋，自旋也為1/2，它的電量和磁矩大小也與電子相同，只是符號(hào)相反。第二十頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第20頁(yè)。正電子不象電子那樣易于為人們觀察到，那是因?yàn)樗谖镔|(zhì)中的壽命太短，真是“匆匆湮滅世間”，當(dāng)一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電了相遇便會(huì)湮滅成了光子。正、負(fù)電子湮滅過(guò)程可表為ｅ＋＋ｅ－＝ｎ

ｎ

2的整數(shù)，最常見(jiàn)的是湮滅成2個(gè)或3個(gè)光子。在自由空間正負(fù)電子絕不會(huì)湮滅成一個(gè)光子，因?yàn)檫@樣的話，不能使能量守恒和動(dòng)量守恒都得到滿足，只有存在能吸收反沖動(dòng)量的第三者時(shí)才有可能。顯然讓正電子去撞擊大塊凝聚物能觀察到正、負(fù)電子湮滅效應(yīng)。問(wèn)題是從哪里得到正電子？做正、負(fù)電于湮滅實(shí)驗(yàn)時(shí)，是用放射性同位素２２Na、。６４Ｃu、５８Ｃｏ等作為正電子發(fā)射源。進(jìn)入凝聚物的正電子在和物質(zhì)原子碰撞時(shí)，在約１P(pán)s（皮秒）的極短時(shí)間內(nèi)首先失去它的大部分動(dòng)能。注入的平均射程在10～1000m之間，變慢的正電子在物質(zhì)中漫游，最終與周?chē)橘|(zhì)中的一個(gè)電子發(fā)生湮滅，在多數(shù)情況下變成了兩個(gè)能量為511keV的光子。正電子在物質(zhì)中的平均壽命在100－500Ps間變化，平均壽命反映材料特征。對(duì)某些物質(zhì)，變慢的正電子也可俘獲一個(gè)電子組成類(lèi)氫“原子”，稱(chēng)為電子偶素。第二十一頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第21頁(yè)。圖６－１２（ａ）表明正電子在凝聚物中湮滅實(shí)驗(yàn)的大致過(guò)程。實(shí)驗(yàn)采用２２Nａ作為正電子源，在射出正電子的幾個(gè)皮秒內(nèi)，２２Na核還放射一個(gè)能量為１．２８MeV的光子，它可以作為起始信號(hào)。圖6-12正、負(fù)電子湮滅

進(jìn)入凝聚物的正電子與電子發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)變成兩個(gè)能量為511keV的光子。根據(jù)起始光子和湮滅光于之間的時(shí)間延遲，就能測(cè)量正電子在材料中的壽命。在湮滅前，電子一正電子對(duì)的動(dòng)量，轉(zhuǎn)交給了湮滅后生成的光子，這個(gè)動(dòng)量可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)511keV光子的方向與共線的小偏角檢測(cè)出來(lái)（參看圖６－１２（b））。第二十二頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第22頁(yè)。正、負(fù)電湮滅效應(yīng)按照狄拉克對(duì)產(chǎn)生兩個(gè)光子的正、負(fù)電子湮滅過(guò)程的推導(dǎo)，可以得到單位時(shí)間內(nèi)的湮滅幾率或湮滅率為：＝ｒ０２Ｃｎｅ它與正電子的速度無(wú)關(guān)，式中ｒ０、C分別為經(jīng)典電子半徑和光速，ｎｅ是正電子所在處的電子密度。湮滅率的倒數(shù)等于正電子的平均壽命，通過(guò)測(cè)量正電子在材料中的壽命便可檢測(cè)到材料中的電子密度ｎｅ。在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系，正、負(fù)電子總動(dòng)量不是零，而是如圖６－１３（b）所示的Ｐ（Ｐ分解為橫向分量ｐｔ和縱向分量ｐ），因此湮滅后兩個(gè)了光子運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)偏離共線角，因很小

Ｐｔ／ｍ０Ｃ式中Ｐｔ是正、負(fù)電子對(duì)的動(dòng)量在垂直于光子發(fā)射方向上的分量第二十三頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第23頁(yè)。正、負(fù)電湮滅效應(yīng)慢化的正電子動(dòng)量近乎零，所以與偏角關(guān)聯(lián)的是被湮滅的電子的動(dòng)量，湮滅產(chǎn)生的光子按角度的分布反映了材料中電子動(dòng)量的分布，所以通過(guò)測(cè)量光子按偏角的分布可以探測(cè)材料中電子的動(dòng)量分布。正電子對(duì)固體中的點(diǎn)陣缺陷敏感，正電子會(huì)被缺陷吸引和俘獲，它傾向于尋找晶體中離子密度低于平均值的那些區(qū)域。用正電子湮滅方法研究凝聚物中缺陷濃度、組態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興趣正急劇增長(zhǎng)。現(xiàn)在，正電子譜儀已作為商品出售，人們還在努力發(fā)展正電子顯微術(shù)。第二十四頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第24頁(yè)。第八節(jié)同步輻射效應(yīng)

經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)斷言：帶電粒子作加速運(yùn)動(dòng)便會(huì)輻射電磁波。當(dāng)電子作圓周運(yùn)動(dòng)，照理應(yīng)輻射電磁波或光波，1947年在同步加速器上首次觀察到了這種光輻射。圖６－１４同步輻射

如圖６－１４所示，在電子同步加速器或電子存儲(chǔ)環(huán)中，高能電子在強(qiáng)大磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)力的作用下作圓周運(yùn)動(dòng)，發(fā)射很強(qiáng)的光輻射，稱(chēng)為同步輻射。由于電磁輻射消耗掉被加速電子的能量，電子能量越高，輻射損耗越大，這就限制了加速器中電子能量的提高，加速粒了來(lái)說(shuō)，這效應(yīng)是不利的。第二十五頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第25頁(yè)。同步輻射的可貴特點(diǎn)是：(１)

強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。一個(gè)圓軌道上運(yùn)動(dòng)的電子發(fā)射光輻射，其輻射強(qiáng)度依賴(lài)于電子的能量E和軌道半徑Ｒ，輻射功率為

第八節(jié)同步輻射效應(yīng)1949年遜格耳（Schwinger）從理論上計(jì)算了同步輻射的能耗，能量按頻率的分布和按角度的空間分布。1956年湯博林（Tomboulian）和哈特曼(Hartman)對(duì)美國(guó)康奈爾大學(xué)一臺(tái)300MeV電子同步加速器產(chǎn)生的同步輻射作了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定了能譜分布和強(qiáng)度的角分布，發(fā)現(xiàn)同步輻射具有高強(qiáng)度、光譜范圍寬、光強(qiáng)度角分布窄，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，這一探索為同步輻射的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的前景P＝2e2C（E）43R2m0C2它的輻射強(qiáng)度與激光相當(dāng)。式中C為光速，ｍ０為電子靜止質(zhì)量，由于電子存儲(chǔ)環(huán)中電了的能量可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，所以同步輻射的穩(wěn)定性好。在同步加速器中，電子的加速是在加速區(qū)實(shí)現(xiàn)的，電子是一股一股冊(cè)地間歇式地注入軌道，軌道被成股的電子充滿，所以觀察者觀察到一系列強(qiáng)而窄的光脈沖。第二十六頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第26頁(yè)。（２）角分布窄。以接近光速做圓運(yùn)動(dòng)的電子，其光輻射幾乎集中在以電子行進(jìn)方向（軌道切線方向）為中心的細(xì)長(zhǎng)光錘內(nèi)，圖中所示輻射的半角寬度：＝ｍ０Ｃ２／Ｅ，E＝500MeV時(shí)，

1弧度.（３）譜范圍特別寬?？砂l(fā)生從紅外直至硬Ｘ射線的強(qiáng)光。在軌道平面發(fā)射的還是很純的線偏振光。統(tǒng)而觀之，同步輻射是頻譜寬、強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好的脈沖式偏振光源。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，它是進(jìn)行光譜實(shí)驗(yàn)的理想光源。利用它，可以在很寬頻域內(nèi)得到材料的吸收光譜a（）和反射光譜R（），它們?yōu)楹瞬椴牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度，為了解能量轉(zhuǎn)移等過(guò)程提供有用的信息。利用這種光源獲取固體能譜、進(jìn)行表面勢(shì)壘、表面性質(zhì)，電了能態(tài)密度的研究。同步輻射產(chǎn)生的Ｘ射線可用于晶體結(jié)構(gòu)分析，觀察晶體缺陷和形貌，由于輻射產(chǎn)生的Ｘ射線強(qiáng)度大，完全偏振性，有利于探測(cè)靈敏度的提高，有利于各向異性的研究。同步輻射產(chǎn)生的軟Ｘ射線在微電子制造業(yè)中還可用于光刻。第二十七頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第27頁(yè)。第九節(jié)磁共振效應(yīng)與核磁共振成像

在第三章第１節(jié)，曾述及一個(gè)磁矩為的磁性原子，處于外加靜磁場(chǎng)Ｂ０中，一個(gè)能級(jí)會(huì)分裂為多個(gè)能級(jí)，這稱(chēng)為塞曼效應(yīng)。磁矩和角動(dòng)量l成比例，即:μ＝γlγ為旋磁比，γ

０，與l同向；γ

０,

與l反向，電子的運(yùn)動(dòng)屬于這種情形。如果表征角動(dòng)量l大小的角量子數(shù)為L(zhǎng)，則該角動(dòng)量對(duì)應(yīng)的能級(jí)在靜磁場(chǎng)中將分裂為2L十1個(gè)能級(jí)，在理想情況下，分裂能級(jí)的間距為：

E＝2

ｚＢ０ｚ為磁矩在靜磁場(chǎng)Ｂ０方向的投影。1.電子磁矩與電子自旋共振（EPR）電子有自旋角動(dòng)量和自旋磁矩，也相當(dāng)一個(gè)小磁鐵，但電了自旋角動(dòng)量量子數(shù)S＝1/2，所以電子自旋處于靜磁場(chǎng)中只能分裂出2S+1=2個(gè)能級(jí)，按上式，其能級(jí)間距：ΔE=2μBB0電子自旋磁矩Ｓ＝ｇＳ｛Ｓ（Ｓ＋１）｝１／２Ｂ式中μB為玻耳磁子，gS為電子自旋的g因子。第二十八頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第28頁(yè)。電子磁矩與電子自旋共振（EPR）

在外磁場(chǎng)中，電子自旋磁矩μs只允許有兩個(gè)取向，這兩個(gè)取向使μs在B0方向的投影分別為μB和－μB。即平行和反平行于B0，如圖6-18所示，兩種取向?qū)?yīng)的能量分別為－μBB0和μBB0，能級(jí)間距2μBB0。除了外加靜磁場(chǎng)B0外，如果又在頻率滿足h

0

＝2μBB0的高頻電磁場(chǎng)作用下，則電子自旋由平行B0的狀態(tài)躍遷到反平行B0的狀態(tài)，這為共振吸收；如果由自旋反平行狀態(tài)躍遷到平行狀態(tài)，則稱(chēng)為共振發(fā)射。如果共振發(fā)射是在外磁場(chǎng)的h

0作用下發(fā)生的，則稱(chēng)為受激輻射。在靜磁場(chǎng)B0作用下，發(fā)生電子自旋能級(jí)分裂，同時(shí)又在電磁場(chǎng)能量子h

0的作用下發(fā)生共振吸收或發(fā)射現(xiàn)象，稱(chēng)為電子自旋共振。1945年E.Zavoisky第一個(gè)從順磁鹽中觀察到了電子自旋共振現(xiàn)象。h0B=0B=B0μBB0－μBB0B0h0圖6-15電子自旋共振

第二十九頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第29頁(yè)。2.核自旋與核磁共振（NMR）

原子核也有自旋和磁矩0，也相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵，核磁矩

n

＝

gn〔I(I+1)〕－1/2

N式中I為核自旋量子數(shù)，N＝eh/4mp＝5.0510－27J/T，為核磁子mp為質(zhì)子質(zhì)量，gn為核子g因子。核磁矩只有電子自旋磁矩的約0.1%

當(dāng)原子該中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都為偶數(shù)，核自旋I=0，即原子核無(wú)核磁矩，如6C12,8O16核等。當(dāng)核的質(zhì)子、中子數(shù)都為奇數(shù)，總核子數(shù)為偶數(shù)，核自旋量子數(shù)為整數(shù)，如1H2，7N14核等。而質(zhì)子、中子數(shù)之和為奇數(shù)的核，核自旋量子數(shù)為半整數(shù)（1/2，3/2，……），如1H1，9F19核等。對(duì)于1H1即氫核（質(zhì)子），I=1/2，所以在外加靜磁場(chǎng)中也象電子自旋一樣分裂為2I＋1即如圖6-18所示的兩個(gè)能級(jí)，只是核磁矩n在B0方向的投影z＝2.79N能級(jí)間距E=2ZB0＝22.79NB0它比電子自旋情形時(shí)要小三、四個(gè)數(shù)量級(jí)。

如果在施加靜磁場(chǎng)情況下，同時(shí)加上能量子h

0

＝22.79NB0的交變電磁場(chǎng)，能使核磁矩投影由平行于靜磁場(chǎng)激發(fā)到反平行靜磁場(chǎng)（共振吸收），或者反之，由反平行靜磁場(chǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到平行靜磁場(chǎng)狀態(tài)（共振發(fā)射），核磁矩的這種共振躍遷，稱(chēng)為核磁共振效應(yīng)。第三十頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第30頁(yè)。圖6-16磁共振實(shí)驗(yàn)的原理性裝置

核自旋與核磁共振（NMR）

如果在施加靜磁場(chǎng)的情況下，同時(shí)加上能量子h

0

＝22.79NB0的交變電磁場(chǎng)，能使核磁矩投影由平行于靜磁場(chǎng)激發(fā)到反平行靜磁場(chǎng)（共振吸收），或者反之，由反平行靜磁場(chǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到平行靜磁場(chǎng)狀態(tài)（共振發(fā)射），核磁矩的這種共振躍遷，稱(chēng)為核磁共振效應(yīng)。電子自旋共振和核磁共振都是物質(zhì)在靜磁場(chǎng)和射頻（電）磁場(chǎng)共同作用下的效應(yīng)。磁共振實(shí)驗(yàn)的原理性裝置如圖6-19所示，靜磁場(chǎng)B0加于Z方向，射頻磁場(chǎng)加在X或Y方向，借用經(jīng)典圖象思考，靜磁場(chǎng)使磁矩進(jìn)動(dòng)，而射頻磁場(chǎng)使進(jìn)動(dòng)發(fā)生改變，表現(xiàn)為共振躍遷。通過(guò)共振信號(hào)的測(cè)量，可以測(cè)量電子磁矩和核磁矩，可以了解它們所處的周?chē)h(huán)境和相互作用；通過(guò)共振信號(hào)的強(qiáng)弱和空間分布，可以了解核的分布密度及其它，這是核磁共振斷層成象技術(shù)（NMR－ＣＴ）的依據(jù)。第三十一頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第31頁(yè)。核自旋與核磁共振（NMR）對(duì)于原子，它們的磁矩來(lái)自電子磁矩和核磁矩，電子磁矩又來(lái)自軌道磁矩和前面所說(shuō)的電子自旋磁矩。對(duì)于多電子原子，要根據(jù)原子的電子結(jié)構(gòu)、電子軌道運(yùn)動(dòng)與自旋運(yùn)動(dòng)的耦合求出電子的總磁矩。當(dāng)電子的總磁矩不為零時(shí)，原子的磁矩主要來(lái)自電子總磁矩；當(dāng)電子總磁矩為零時(shí)，原子的磁矩就決定于核磁矩了。實(shí)驗(yàn)或生活中接觸到的是宏觀物體，它們是大量原子分子組成的，由于原子、分子微觀磁矩的不同，及這些微觀磁矩的相互作用的不同，物質(zhì)可分為順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)三種。核磁共振多以抗磁質(zhì)為樣品，而且多數(shù)都是涉及Ｉ＝１／２的核。對(duì)于抗磁質(zhì)固體，可以看成核自旋系統(tǒng)和晶格系統(tǒng)的組合，其中的核自旋系統(tǒng)受磁場(chǎng)影響，核自旋系統(tǒng)和晶格系統(tǒng)要交換能量趨于熱平衡。在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，物質(zhì)的總磁矩Ｍ＝∑

μmi＝０當(dāng)然各分量，如μＺ＝０。當(dāng)在ｚ方向加靜磁場(chǎng)Ｂ０時(shí)，ＭＺ將由零逐步達(dá)到飽和值Ｍ０，這變化過(guò)程的快慢可以用縱向弛豫時(shí)間Ｔ１來(lái)表征，Ｔ１表示ＭＺ由０上升到０．６１８Ｍ０所需的時(shí)間。在核磁矩磁化的過(guò)程中，系統(tǒng)由施加靜磁場(chǎng)前的平衡態(tài)過(guò)渡到加磁場(chǎng)后的平衡態(tài)，為了使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)于平衡態(tài)，能量將從自旋系統(tǒng)流向晶格系統(tǒng)，所以Ｔ１又稱(chēng)為自旋－晶格弛豫時(shí)間。如果靜磁場(chǎng)Ｂ０出現(xiàn)后，總磁矩Ｍ的橫向分量ＭＸ、MＹ并不為零，為了達(dá)到平衡態(tài)，最終它們一定要趨于零，這一過(guò)程進(jìn)行的快慢用橫向弛豫時(shí)間Ｔ２來(lái)表征。在ＭＸ、MＹ趨向零的過(guò)程中，自旋系統(tǒng)能量并不發(fā)生變化，它是自旋系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)自旋－自旋相互作用達(dá)到平衡的過(guò)程，所以T２又稱(chēng)為自旋－自旋弛豫時(shí)間，Ｔ２??Ｔ１。第三十二頁(yè)，共36頁(yè)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用—其它物理效應(yīng)全文共36頁(yè)，當(dāng)前為第32頁(yè)。

核磁共振現(xiàn)象是1946年美國(guó)哈福大學(xué)Ｅ．Ｍ．Ｐurcel1教授和斯坦福大學(xué)Ｆ．Bloch教授發(fā)現(xiàn)的，并因此于1952年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1972年美國(guó)醫(yī)生Ｒ．Damadiam提出用核磁共振測(cè)定活體組織的縱向、橫向弛豫時(shí)間Ｔ１，Ｔ２來(lái)診斷疾病的設(shè)想。1973年美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校P.C.Lauterbur教授提出核磁共振成象方法，80年代便進(jìn)入商品化階段，國(guó)內(nèi)外的大醫(yī)院都設(shè)置了核磁共振斷層成象系統(tǒng)。

核磁共振成象系統(tǒng)主要組成部分有：

主磁體：它是一個(gè)通電螺線管線圈，用于產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)能級(jí)分裂的靜磁場(chǎng)。

勻場(chǎng)線圈：保證磁場(chǎng)的空間均勻性，使同樣的核在空間不同位置有相同共振頻率。

梯度線圈：在Ｘ，Ｙ，Ｚ方位產(chǎn)生脈沖梯度磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)空間編碼，核磁信號(hào)的空間定位。射頻線圈：包括發(fā)射線圈和接收線圈，發(fā)射線圈用來(lái)發(fā)射射頻脈沖，這些脈沖電磁能量被特定的核（如１Ｈ１核）共振吸收。當(dāng)脈沖停止后，原子核又把這部分能量以電磁波形式發(fā)射出來(lái)，它就是核磁共振信號(hào)，它攜帶著被測(cè)物的內(nèi)部信息，接收線圈用于檢測(cè)這個(gè)核磁共振信號(hào)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：它擔(dān)任整個(gè)系統(tǒng)的指揮、控制、信息處理等；它從核磁共振信號(hào)中萃取出T１，Ｔ２，（質(zhì)于密度或核密度）等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像的重構(gòu)和顯示。隨著快速掃描核磁共振成象技術(shù)和血流成象技術(shù)的發(fā)展，最近又傳來(lái)了振奮人心的好消息，核磁共振成象已能用于腦功能研究，