История лазера. Научное издание
Шрифт:
Рто исследование Блоха мотивировалось стремлением найти методики для точных измерений магнитного поля. Р’ 1946 Рі. Блох также дал теоретическое объяснение эксперимента, введя РґРІР° времени релаксации СЃРїРёРЅРѕРІРѕР№ населенности. РћРґРЅРѕ время описывалось, как достижение быстрого термического равновесия СЃРїРёРЅРѕРІ ядер СЃ СѓРїСЂСѓРіРёРјРё колебаниями материала (СЃРїРёРЅ-решеточная релаксация). Второе время является характеристическим временем, РІ течение которого поперечные компоненты намагничивания релаксируют Рє своему равновесию, С‚.Рµ. Рє нулю.
Парселл Рё Блох впервые встретились РЅР° собрании Американского физического общества РІ Кембридже (Массачусетс) РІ 1946 Рі. РЈ РЅРёС… всегда были самые дружеские отношения. РљРѕРіРґР° РѕР±Р° были награждены Нобелевской премией, Блох послал Парселлу телеграмму: РЇ думаю, что для РРґРґР° Парселла прекрасно разделить потрясение СЃ Феликсом Блохом.
Ядерный магнитный резонанс, первоначально используемый для изучения магнитных свойств вещества, СЃРѕ временем стал важнейшей медицинской техникой. Поскольку РѕРЅ позволяет измерять СЃРґРІРёРі резонансной частоты, получающийся Р·Р° счет локального окружения СЏРґСЂР°, получается мощный метод химического анализа, позволяющий идентифицировать химические соединения Рё изучать РёС… строение. РџСЂРё этом важным применением является медицинская диагностика. Ядерный магнитный резонанс позволяет идентифицировать положение магнитных моментов ядер СЃ помощью характерного спектра поглощения. РЇРґСЂР°, дающие сильные сигналы, имеются, например, РІ РІРѕРґРѕСЂРѕРґРµ, дейтерии, углероде Рё фосфоре. Рти СЏРґСЂР° проявляются РїРѕ РёС… спектрам ядерного магнитного резонанса, Рё СЃ помощью специальной техники можно установить РёС… положение Рё таким образом получать трехмерное изображение.
Первые спектры РІ живых тканях были получены лишь около 20 лет назад. Причина, почему потребовалось так РјРЅРѕРіРѕ времени для разработки этой техники, может быть РІ том, что РІ ядерном магнитном резонансе (РЇРњР ) СЃ переходами связаны очень малые энергии, Рё поэтому, чтобы получить достаточно сильные сигналы, требуются сильные постоянные поля. Рти поля должны быть крайне однородными РІРѕ всей области исследуемого образца, который может иметь большие размеры, например человеческое тело. Рспользование сверхпроводящих магнитов преодолевает эту трудность. Медицинское применение ЯМРсегодня позволяет получать изображения анатомических частей человеческого тела Рё идентифицировать химические составляющие РІ организме. Рта диагностика уже получила широкое распространение РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… больницах. РћРЅР° РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… случаях заменяет Рё дополняет наряду СЃ ультазвуковой диагностикой (РЈР—Р) традиционную рентгенографию. Ее преимущества заключаются РІ высокой чувствительности Рё исключении вредности рентгеновских лучей. Р’ 2003 Рі. Нобелевская премия РїРѕ физиологии Рё медицине была присуждена американскому С…РёРјРёРєСѓ Полю Латербуру Рё британскому медику Петеру Мансфилду Р·Р° РёС… вклад РІ визуализацию магнитного резонанса. Р’ 1970-С… РіРі. эти РґРІР° исследователя, независимо РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, продвинули преобразование технологии РЇРњР РёР· спектроскопических лабораторий РІ клиническую диагностику. Рдея была РІ том, чтобы пространственные изменения сигналов РІ РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРј магнитном поле ЯМРспектрометра связать СЃ теми областями, откуда эти сигналы получаются. Действительно, поскольку резонансная частота СЃРїРёРЅР° зависит РѕС‚ силы РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРіРѕ магнитного поля, то если эта сила различна РІ разных точках, то Рё резонансные частоты РІ разных точках Р±СѓРґСѓС‚ различны. Поэтому знание значения магнитного поля РІ каждой точке позволяет локализовать те СЏРґСЂР°, котоые РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ сигнал РЇРњР . Р’ 1973 Рі. Латербур опубликовал первое пространственно разрешенное изображение. Р’ 1974-1975 РіРі. Мансфилд СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё коллегами разработал методики быстрого сканирования РІ образцах Рё РІ 1976 Рі. получил первое изображение живого человеческого тела. Нобелевская премия явилась оценкой РёС… вклада РІ разработку полезной клинической методики.
ЯМР-изображения всего человеческого тела появились около 1980 г. По сравнению с первыми расплывчатыми изображениями в настоящее время получаются четкие изображения. Детали можно различать с разрешением в несколько кубических миллиметров, что позволяет исследовать отдельные органы.
Р РёСЃ. 38. (Р°) Ориентация РѕСЃРё симметрии кристалла СЂСѓР±РёРЅР° РїРѕ отношению Рє направлению магнитного поля (СѓРіРѕР» ). Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЂСѓР±РёРЅР° для = 0 (Р±) Рё для =90 (РІ)
Рлектронный парамагнитный резонанс
Рлектронный парамагнитный резонанс существенно РЅРµ отличается РѕС‚ ядерного резонанса, Р·Р° исключением того, что энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё получаются РІРѕ внешнем магнитном поле РЅРµ РѕС‚ ядерных СЃРїРёРЅРѕРІ, Р° зеемановскими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, которые получаются РІ результате воздействия магнитного поля РЅР° движение электронов РІ атоме. Как РјС‹ уже видели, РїСЂРё приложении внешнего магнитного поля Рє атому снимается вырождение атомных РѕСЂР±РёС‚, Рё каждый уровень энергии электрона расщепляется РЅР° несколько подуровней, разделенных малой величиной энергии, которой типично соответствует микроволновая частота, причем это разделение подуровней зависит РѕС‚ величины внешнего магнитного поля.
Принцип метода очень РїСЂРѕСЃС‚. Постоянное магнитное поле прикладывается Рє веществу так, чтобы электронные СѓСЂРѕРІРЅРё испытывали зеемановское расщепление. Одновременно РЅР° образец посылается малое радиочастотное поле Рё его частота варьируется. РџРёРєРё поглощения наблюдаются, РєРѕРіРґР° частота этого поля точно соответствует разности энергий между РґРІСѓРјСЏ зеемановскими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Р’ качестве примера сошлемся РЅР° РёРѕРЅС‹ С…СЂРѕРјР°, содержащиеся РІ кристалле СЂСѓР±РёРЅР° (позднее РјС‹ детально РѕР±СЃСѓРґРёРј СЂСѓР±РёРЅ). Рти РёРѕРЅС‹ содержат неспаренные электроны, которые дают полный СЃРїРёРЅ, равный 3/2. Рлектрическое поле, образуемое всеми атомами кристалла, блокирует РІСЃРµ РґСЂСѓРіРёРµ угловые моменты, Рё поэтому РїСЂРё наличии внешнего магнитного поля поведение СЂСѓР±РёРЅР° определяется лишь неспаренными электронами. Диаграмма образующихся уровней зависит РѕС‚ ориентации внешнего магнитного поля РїРѕ отношению Рє главной РѕСЃРё симметрии кристалла (СЂРёСЃ. 38, Р°). Ртот эффект существенно зависит РѕС‚ силы магнитного поля для разных ориентации, как РІРёРґРЅРѕ РёР· СЂРёСЃ. 38, Р± Рё 38, РІ. Стоит отметить, что РїРѕРґР±РѕСЂРѕРј подходящего значения внешнего поля можно получить нужное разделение уровней. Рто является фундаментальным принципом работы трехуровнего мазера.
Атомные часы
Как РјС‹ уже говорили, РІ 1949 Рі. Рќ. Рамси изобрел резонансную методику СЃ разнесенными осциллирующими полями, которая РІ 1955 Рі. была использована Дж. Захариасом, Дж. Пари, Луисом Рссеном Рё РґСЂ. для создания атомных часов Рё стандартов частоты. Р—Р° этот метод Рамси РІ 1989 Рі. получил Нобелевскую премию РїРѕ физике вместе СЃ Р“. Демельтом Рё Р’. Полем, которые разработали изощренную методику для изучения одиночных атомов Рё молекул.
Проблема измерения времени всегда была важной и трудной. Вначале она была связана с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как полагали, происходит с высокой регулярностью. Увеличение точности маятника, введенное Гюйгенсом и астрономическими наблюдениями, побудило во времена Ньютона, Джона Фламстида, первого Королевского Астронома в Гринвиче, проверить регулярность вращения Земли, используя маятниковые часы. Он не нашел каких-либо доказательств несовершенства в этой регулярности, но последующие поколения астрономов собрали все увеличивающийся список нерегулярности продолжительности суток.
Р’ начале 20 столетия, например, благодаря астрономическим наблюдениям было определенно установлено, что вращение Земли замедляется РёР·-Р·Р° приливного трения. Рљ середине 1930-С… РіРі. часы были улучшены благодаря появлению кварцевых часов. Рто позволило измерить нерегулярности вращения (СЂРёСЃ. 39). Р’ кварцевых часах колебания кристалла кварца создают электрические колебания СЃ постоянной частотой, СЃ помощью которой Рё измеряют время. Кварцевые часы можно откалибровать РїРѕ астрономическим наблюдениям, Р° затем использовать РёС… РІ лаборатории. Лучшие РёР· РЅРёС… РјРѕРіСѓС‚ работать РІ течение РіРѕРґР°, накапливая ошибку РІ 5 миллисекунд. Рта точность, тем РЅРµ менее, недостаточна для современных научных Рё технологических целей.
Р РёСЃ. 39. Рзменение продолжительности РґРЅСЏ Р·Р° период четыре РіРѕРґР°. Отметьте, что шкала РїРѕ ординате только 3 РјСЃ = 0,003 СЃ
Как только были обнаружены нерегулярности вращения Земли, стало необходимым найти другой способ определить стандарт единицы времени.