第一章物質(zhì)結(jié)構(gòu)目錄第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)第二節(jié)原子核結(jié)構(gòu)第三節(jié)磁共振CONTENTS第四節(jié)磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握熟悉了解盧瑟福的

粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象及重要意義；玻爾理論的基本假設(shè)；原子核結(jié)構(gòu)核外電子結(jié)構(gòu)核磁矩在外磁場中的進(jìn)動(dòng)；核磁共振現(xiàn)象及核自旋弛豫；磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材01原子結(jié)構(gòu)第一節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、揭示原子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

（一）

粒子的散射實(shí)驗(yàn)

粒子受鉑的薄膜散射時(shí)，絕大多數(shù)平均只有2o~3o的偏轉(zhuǎn)，但有1/8000的粒子偏轉(zhuǎn)大于90o，其中有接近的180o

粒子散射的儀器裝置盧瑟福，1911年，提出原子模型-核式模型

粒子在原子核式模型中的散射盧瑟福（二）氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律棱鏡攝譜儀氫原子光譜的巴爾末線系及其系限外的連續(xù)光譜氫原子光譜的經(jīng)驗(yàn)公式里德伯常數(shù)k＝1，2，3，···；n＝k＋1，k＋2，k＋3，···剌曼系n=2,3,4···紫外巴爾末系n=3,4,5···可見光帕邢系n=4,5,6···紅外二、玻爾的原子模型（一）玻爾假設(shè)第一，在原子內(nèi)部存在一系列穩(wěn)定的能量狀態(tài)E1，E2，E3，···，當(dāng)原子處在任一穩(wěn)定能態(tài)時(shí)，電子繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng)，雖有向心加速度，也不向外輻射能量。而且，只有當(dāng)電子的角動(dòng)量等于的整數(shù)倍的那些軌道才是可能的，即n=l，2，3，···

稱為量子數(shù)第二，當(dāng)原子從能量狀態(tài)躍遷到能量狀態(tài)時(shí)，它將發(fā)射（或吸收）一個(gè)單色的光子，其頻率由下式?jīng)Q定原子狀態(tài)間的躍遷玻爾（二）氫原子的波爾理論、原子能級電子的軌道半徑只能取如此一系列的不連續(xù)值氫原子的電子軌道原子所具有的能量也不是連續(xù)的，這種不連續(xù)的能量狀態(tài)，稱為原子的能級氫原子能級三、原子核外的電子結(jié)構(gòu)（一）空間量子化1.主量子數(shù)n

電子殼層可用主量子數(shù)表示主量子數(shù)n取1，2，3，…等數(shù)值時(shí)，相應(yīng)的電子殼層也可用K、L、M、N、O、P、Q等符號表示2.角量子數(shù)l

同一電子殼層中電子又分成若干電子亞層，由角量子數(shù)l確定l可取0，1，2，…，（n-1），對應(yīng)的電子亞層用s、p、d、f、g、h等符號來表示

3．磁量子數(shù)ml各種軌道平面的空間取向在角量子數(shù)l確定后，其量子軌道平面可有（2l＋1）個(gè)不同的取向4.自旋量子數(shù)ms電子有兩種自旋狀態(tài)，其自旋方向相反（二）電子的殼層結(jié)構(gòu)泡利不相容原理：在同一原子中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的量子數(shù)（n，l，ml，ms）主量子數(shù)為n的殼層中，可容納的最多電子數(shù)（三）原子核外殼層電子的結(jié)合能把移走原子中某殼層軌道電子所需要的最小能量，稱為該殼層電子在原子中的結(jié)合能02原子核結(jié)構(gòu)第二節(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、原子核組成核子質(zhì)子中子Z原子序數(shù)A質(zhì)量數(shù)同位素：有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子

同中子異核素：有相同的中子數(shù)而質(zhì)子數(shù)不同的原子

同量異位素：有相同的核子數(shù)而質(zhì)子數(shù)不同的原子同質(zhì)異能素：有相同的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，只是能量狀態(tài)不同

二、原子核結(jié)合能（一）幾個(gè)有關(guān)的相對論公式1.質(zhì)量與速度的關(guān)系2.動(dòng)量與速度度的關(guān)系3.質(zhì)量與能量的關(guān)系（二）原子核結(jié)合能質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量都小于組成它的核子質(zhì)量之和結(jié)合能：與質(zhì)量虧損

M相聯(lián)系的能量

M

c2，表示這些自由狀態(tài)的單個(gè)核子結(jié)合成原子核時(shí)所釋放出來的能量比結(jié)合能：把原子核的結(jié)合能除以此核內(nèi)的總核子數(shù)A

比結(jié)合能曲線兩彈一星精神兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)率侵腥A人民共和國為表彰“兩彈一星”事業(yè)的23位卓越的科學(xué)家而于1999年國慶50周年前夕由中共中央、國務(wù)院和中央軍委授予的獎(jiǎng)?wù)?。鄧稼先王淦昌三、原子核能級核的能量，像原子那樣是量子化的?dāng)一個(gè)核發(fā)生從高能級到低能級躍遷時(shí)，所發(fā)出的光子一般在電磁波譜的

射線區(qū)內(nèi)四、原子核自旋與核磁矩1.原子核的自旋

原子核自旋情況由核的自旋量子數(shù)I來表征（1）質(zhì)子數(shù)是偶數(shù)，中子數(shù)也是偶數(shù)的核。其自旋量子數(shù)I=0，這種核沒有自旋（2）質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一個(gè)是奇數(shù)、另一個(gè)是偶數(shù)的核。其自旋量子數(shù)I=1/2，3/2，5/2等半整數(shù)，這種核有自旋（3）質(zhì)子數(shù)是奇數(shù)，中子數(shù)也是奇數(shù)的核。其自旋量子數(shù)，I=1，2，3等整數(shù)，這種核有自旋自旋角動(dòng)量原子核角動(dòng)量在空間某一選定方向（例如z軸方向）上的投影也是量子化的m為核自旋磁量子數(shù)，其可取的數(shù)值為I，I-1，···-I+1，-I，共有2I+1個(gè)值2.原子核的磁矩核磁矩

z也是量子化的，共有2I+1個(gè)可能的取值核的自旋及磁效應(yīng)磁共振第二節(jié)03第三節(jié)一、核磁矩在靜磁場中的進(jìn)動(dòng)根據(jù)角動(dòng)量定理拉莫爾頻率拉莫爾方程

自旋核在磁場中的旋進(jìn)二、核磁共振現(xiàn)象

與B0相互作用的能量為核磁矩在靜磁場中的能量也是量子化的靜磁場B0中的核磁矩

兩相鄰能級的能量差為根據(jù)量子力學(xué)的選擇定則，只有磁量子數(shù)之差

m=±1時(shí)，相鄰兩能級間的躍遷才是允許的核磁共振：當(dāng)激勵(lì)電磁波的頻率

所決定的能量與兩相鄰能級之間能量差相等時(shí)，原子核兩個(gè)能級之間的躍遷就會發(fā)生核磁矩在磁場中的能級圖原子核發(fā)生共振吸收時(shí)的射頻場的角頻率等于自旋核在磁場中旋進(jìn)的角頻率，這就是核磁共振條件三、核自旋弛豫磁化強(qiáng)度矢量：組成物體的大量的原子核磁矩的矢量總和在平衡狀態(tài)下，磁化強(qiáng)度矢量與外加磁場B0方向一致，磁化強(qiáng)度矢量的z分量Mz=M0，Mz被稱為縱向分量，此時(shí)不存在橫向磁化強(qiáng)度矢量Mxy

在垂直于B0的方向施加射頻電磁波，如果足夠多的能量被自旋核吸收，則有可能使自旋核達(dá)到飽和狀態(tài)，即，Mz=0

，Mxy=M0弛豫過程：射頻脈沖發(fā)射結(jié)束后，處于非熱平衡狀態(tài)的原子核系統(tǒng)將逐漸恢復(fù)為熱平衡狀態(tài)縱向弛豫：z分量即縱向分量Mz將逐漸增大，恢復(fù)到平衡狀態(tài)的M0

橫向弛豫：xy（平面）分量即橫向分量Mxy將逐漸減少，直至Mxy=0弛豫曲線全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材縱向磁化強(qiáng)度矢量從零回復(fù)至最大值的63%時(shí)所需的時(shí)間為T1,稱之為縱向弛豫時(shí)間，簡稱T1弛豫時(shí)間

橫向磁化強(qiáng)度矢量從最大值減小至最大值的37%處時(shí)所需的時(shí)間為T2,稱之為橫向弛豫時(shí)間，簡稱為T2弛豫時(shí)間

04第四節(jié)磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材一、核磁共振波譜分析技術(shù)核磁共振波譜：利用分子的化學(xué)位移來測定分子組成及空間構(gòu)型的一種檢測方法可以從譜線的寬度，形狀和面積，譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)來了解原子核的性質(zhì)和原子核所處的環(huán)境乙基苯氫核磁共振波譜全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材目前用于醫(yī)學(xué)MRS分析的原子核有1H、31P、13C、23Na、19F和15N1H-MRS可用來檢測體內(nèi)許多脂肪代謝、氨基酸代謝以及神經(jīng)遞質(zhì)有關(guān)的微量代謝正常腦組織的1H-MRS二、磁共振成像技術(shù)磁共振成像MRI：主要是利用人體不同組織之間、正常組織與病變組織之間的氫核密度

、縱向弛豫時(shí)間T1、橫向弛豫時(shí)間T2、液體流速、液體的擴(kuò)散和灌注、質(zhì)子在不同分子環(huán)境中的化學(xué)位移、局域氧合、局域含鐵以及膜的通透性等參數(shù)進(jìn)行成像MRI設(shè)備分為三個(gè)部分：磁場系統(tǒng)，射頻系統(tǒng)，圖像重建系統(tǒng)磁共振成像系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖其基本原理是利用一定頻率的電磁波，向處于磁場中的人體照射，人體中各種不同組織的氫核，在電磁波作用下會發(fā)生核磁共振，吸收電磁波的能量，隨后又發(fā)射電磁波。MRI系統(tǒng)探測到這些來自人體中的氫核發(fā)射出來的電磁波信號之后，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理和圖像處理，得到人體的斷層圖像磁共振圖像重建流程圖3.0T0.5T醫(yī)療科技原始創(chuàng)新，醫(yī)工交叉結(jié)碩果。我國醫(yī)療專家與醫(yī)學(xué)工程專家聯(lián)合攻關(guān)，解決高場強(qiáng)磁共振成像技術(shù)，為健康中國提供科學(xué)技術(shù)支撐?！案邎龃殴舱襻t(yī)學(xué)影像設(shè)備自主研制與產(chǎn)業(yè)化”，獲得了2020年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)聯(lián)影磁共振小結(jié)全國高等學(xué)校第二輪醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材1.盧瑟福通過

粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出原子的核式模型結(jié)構(gòu)，玻爾在氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合量子論提出了原子能級的結(jié)