核磁共振成象及其在医学中的应用

在医学上需要从外部观察人体的内部情况,最常用的是X射线照相(透视).七十年代发展了计算机X射线断层照相术(简称CT扫描).目前国内外许多大医院已配备了X射线CT扫描仪.制成世界上第一台X射线CT扫描仪的G.M.Housfield和早期作过重要贡献的A.M.Cormack分享了1979年生物学医学诺贝尔奖金.X射线对人体组织稍有损伤,而射频电磁波既能穿透人体又不引起人体损伤.核磁共振成象就是用射频电磁波作为射线源实现人体透视的方法. 一、核磁共振基础[1,2] 核磁共振是原子核在恒定磁场中对电磁波产生的共振吸收或辐射现象. 许多原子核具有自旋特性.每…     

纪念劳厄发现晶体X射线衍射90周年编者的话

20 0 2年和 2 0 0 3年分别是劳厄 (vonLaueMax)发现X射线晶体衍射和布拉格 (BaggWL)建立布拉格方程90周年 .劳厄和布拉格的发现是 2 0世纪物理学意义深远的大事 .1895年伦琴发现X射线后 ,关于X射线的本质是不清楚的 ,一种观点认为是穿透性很强的中性微粒 (粒子学说 ) ,另一种观点认为是波长较短的电磁波 (波动学说 ) .应该说 ,劳厄的发现 ,除了他本人具备坚实的物理基础 ,敏锐的洞察能力以及当时劳厄所在的慕尼黑大学高水平的学术研究环境等因素外 ,还直接得益于与埃瓦尔德 (EwaldPP)的一次谈话 .通过与埃瓦尔德的讨论 ,劳厄酝酿出一个…     

晶体X射线衍射的发现及重大意义

1895年，德国著名物理学家，首次诺贝尔物理奖获得者伦琴发现了X射线．X射线与光波一样也是电磁波，不过波长更短，一般仅为1A左右。既然X射线也是一种波动，因此，也应该能够观察到X射线的干涉、衍射现象．但是由于用来显示干涉和衍射现象的光栅，在一般情况下，其常数不可能做得象X射线的波长那样小．因此，在伦琴发现X射线后的很多年，一直未能观察到X射线的干涉和衍射现象．1908年，德国著名物理学家，诺贝尔物理学奖获得者劳厄应聘到伦敦的慕尼黑大学担任讲师．当时，慕尼黑大学集聚了许多学识渊博、深争重望的学者．除伦琴、劳厄…     

X射线在近代物理实验中的应用

基于德国莱宝公司研制的X射线实验系统,对X射线的特殊性能作了详细的分析和例证.结合5个典型的近代物理实验例子,表明X射线作为一种电磁波,具有与其他物质无可比拟的优越性,在实验中引入X射线能体现科研引导型物理教学.     

X光学的重要突破——谈X光透镜

 自从1895年德国科学家伦琴发现X射线,迄今已近百年.在此期间,人们不仅认识到X射线是短波长(10^-2～10²（?）)的电磁波,它是怎样产生的,而且深入研究了它和物质的各种相互作用.在X射线物理发展的同时,X射线得到了广泛的应用.我们无需查阅那些浩如烟海的文献库,就能说出X射线的若干应用:X光诊断、X光治疗、X光分析、X光探伤…….本世纪70年代以前,X光设备有一个明显的弱点,就是X光束无法调控,我们不能改变X光束的传播方向,不能会聚X光,也得不到平行的X光束.     

邮票上的物理学史43——玻尔和原子模型

原子的希腊文(ατομ)本义是"不可分割的",原来是把它看成一种不可分割的基元实体,因此没有内部结构可言.1897年J.J.汤姆孙发现电子之后,人们认识到,原子还有内部结构,是可分的,原子中含有电子,中性的原子应当由带负电的电子与等量的正电荷组成.问题是,原子中含有多少个电子?正电荷在原子内又以什么形式分布? 对于第一个问题,直到1906年,J.J.汤姆孙才从X射线散射实验发现,一个原子中的电子数等于该元素的原子序数.在此以前,人们不知道一个原子中到底有多少个电子,一个有代表性的看法是,金斯在1901年估计氢原子中大约有700个电子,其他元素的原子中的电子数随原子量递增.     

硅芯片竞争进入X射线领域

18年前,Henny Smith 和他的同事们在麻省理工学院向我们展示了X射线如何用于制作超小型的集成电路,其中导体的线度小于1μm.1972年,他们发表于Electronics Letters上的论文标志着电子学的一个新的里程碑.他们认为X射线可以代替可见光用于硅芯片的大批量生产中.在此之前,试图缩小电路尺寸曾被认为是不可能的.二十年后,用X射线制板印刷电路的方法(以下简称X射线印刷术)已经从实验室走向工厂. 今天,为了生产工业和商业应用中所需的更高速和更高容量的芯片,日本和一些欧洲国家的政府正投资数十亿美元用于X射线印刷术的研究和开发.但在美国,…     

磁性X射线散射

当一束X射线射入晶体时,它被构成晶体的原子周围的电子电荷所散射.由这种电荷散射所产生的X射线衍射,是研究凝聚态物质结构的有力工具.然而,由于X射线是电磁波谱的一部分,它不仅受到电荷的散射,也与电子磁矩发生相互作用,产生磁散射.早在1929年,Klein和Nishian在研究Compton 散     

X射线干涉现象的发现

1914年诺贝尔物理学奖授予了麦克斯·冯·劳埃,以表彰他发现X射线在晶体中的衍射。这是从公布成果到获奖时间间隔最短的物理学发现之一。 自从X射线发现以来,为了弄清它的性质,物理学家曾做过大量的实验和多方面的研究。尤其努力寻找过干涉和衍射现象,以便确定它是波动现象还是某种微粒流。1912年前后的慕尼黑大学,拥有著名的理论物理学家索末菲,发现X射线的实验物理学家伦琴,以及以研究晶体分子结构而闻名的结晶学家格罗特教授。正是在他们的影响下,这里的物理学家们集中精力研究晶格点阵结构概念,研究X射线的波动性质。1909年,由于研究光在平面平行薄片上的干涉理论而获哲学博士学位的劳埃来到了这里,开始进行X射线性质的研究。 1912年9月的一个夜晚,索末菲的学生厄瓦尔德拜访了劳埃,向他请教自己在思考索末菲提出的“电磁波、可见光波受到晶体内规则排列原子的散射”的问题时碰到的困难。劳埃从事了多年的光学研究工作,被认为是深知这些问题的专家,在交谈过程中,劳埃突     

俄歇电子谱及莫应用

1925年俄歇(M·P.Auger)研究威尔逊云室中被x射线所电离的惰性气体的光电效应时,发现双径迹现象.这两条径迹从同一处出发.其中一条是被x射线照射后原子内壳层释放出一个光电子所引起的,它的长度随照射的x射线能量的增加而拉长.另一条径迹的长度却并不随着照射的X射线的能量变化而变化,仅同被照射的原子的种类有关.俄歇对后者作了正确的解释,认为它是由一个外壳层电子填补内壳层空穴释放出来的能量,激发外壳层另一个电子所引起的,后来称这种电子为俄歇电子.长期以来,这种物理现象未能找到应用.直到 1953年,兰德(J.J.Lander)[1]才首次提出…     

星体为什么会发射X射线?

太阳是我们最先观测到的发射X射线的星体.由于地球大气对X射线的强烈吸收,所以直到1948年火箭带着仪器离开大气层后才测量到太阳的X射线.1960年4月得到了第一张太阳的X射线照片[1].几年后,轨道高能天文观测台1号及荷兰天文卫星发现,天空布满了明亮的X射线星,有的甚至比太阳的X射线强好几个量级,随着技术的发展,1978年发射的轨道HEAO-2爱因斯坦观测站发现,几乎每一颗星,不论是年老的还是年轻的,大的或是小的,热的还是冷的,都能发射X射线[2-4],只有冷巨星、超巨星和白矮星例外.可见星体发射X射线并不是一种异常现象,而是正常现象. 深入的…     

同步辐射X射线衍射技术

 X射线跟我们眼睛感觉到的可见光一样都是电磁波,但X射线的波长要小得多.我们常说的X射线的波长在0.1埃至10埃之间。而物质的原子或分子的空间排列也在这个尺度范围中.每个原子或分子是一个对波的散射体,根据波的衍射原理,如果物质的原子或分子的空间排列有一定的周期性,则X射线会在物质中产生衍射现象.如果我们收集衍射信号并加予分析,就可以揭示晶体内的原子和分子的空间排列状况.X射线衍射技术正是这样一门科学技术,它在物理学、材料科学、化学、生物学等众多的领域中有着广泛的应用.     

超短强激光与固体薄膜靶作用产生keV相干X射线数值模拟研究

用一维粒子模拟研究了超短强激光脉冲与两个固体薄膜靶作用产生X射线的一个方案, 特别研究了该方案中产生相对论电子层的源靶的厚度和密度分布对产生X射线的能谱、能量转换效率的影响. 数值模拟发现当产生高能电子层的源靶的厚度d与产生的X射线的波长λ/4γ_x²相当或者更小(λ 是入射激光波长)时, 才能产生准单色的X射线光谱, 否则产生的光谱有极大展宽, 且最高频率下降很快. 另外, 当薄膜靶前面存在不均匀预等离子体时, X射线光谱会明显变差. 关键词： 相对论电子层 Doppler 频移 相干X射线     

强场X射线激光物理

相干X光,特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径.由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度,有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段.目前,基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展,随着X射线光强的提升,相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)物理等领域,为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会.本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍,旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势,并对未来的发展方向进行展望.     

α粒子散射实验与原子核的发现——"最美丽"的十大物理实验之三

1实验背景 自1897年汤姆孙(J.J.Thomson 1856～1940年)从实验中发现电子;1896年亨利·贝克勒(H.A.Becquere1 1852～1908年)发现铀的放射性现象;1898年居里夫人(M.Curie 1867～1934年)发现镭的放射性现象;1897年卢瑟福(E.Rutherford 1871～1937年,英藉新西兰人)发现放射性中的α射线和β射线;1900年维拉德(P.U.Villard 1860～1934年)发现放射性中第三种射线--γ射线以后,使人们认识到原子是可分的,原子是有结构的.因此,各国物理学家们便开始探索原子的复杂结构.     

1892年9月10日：康普顿的诞生

 1895 年, 伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen) 在研究阴极射线时,发现了X 射线。虽然当时有人建议将此新射线命名为“伦琴射线”,但因它的本质是个谜,所以伦琴还是坚持以数学上用以代表未知数的符号“X”来称呼它。由于伦琴所发现新型态的射线可以穿透身体的软组织,看得见骨头,在医学诊断上帮助很大,所以马上在全球各地引起轰动。科学家对此新射线更是着迷,用尽各种方法,希望能揭开它的谜底,了解它的本质。1923 年, 康普顿(Arthur H.Compton)提出了答案,X 光是短波长的电磁波,同时带有波和粒子的性质。     

纪念劳厄发现射线衍射周年

100年前,德国人劳厄发现X射线通过晶体时可以发生衍射效应.随后,英国的布拉格父子等人发展出一系列实验和分析方法,利用X射线晶体衍射解析出具有原子分辨率的分子结构.在过去的100年中,X射线衍射分析对世界的科学发展乃至人们的生活都产生了至关重要的影响,并且在这100年间,X射线衍射实验方法和分析方法也有了长足进步.硬X射线自由电子激光的出现为X射线衍射分析进一步发展提供了更广阔的空间,可以预期,基于自由电子激光的X射线衍射分析会进一步在物理、化学、生物等学科中发挥更为重要的影响.     

晶体学与“四个现代化”

晶体学是一门边缘科学,它牵涉到物理学、化学、冶金学、矿物学、土壤学以至于近代的分子生物学.我们可以说,晶体学是研究晶体的结构和缺陷与物理性质之间的关系的一门科学,晶体学是研究晶体在成分、温度、压力或其它物理条件的变更下结构变化的一门科学,晶体学又是研究晶体的发生和发展的一门科学.在X射线衍射现象发现以前的晶体学叫做经典晶体学,而用X射线分析晶体的微观结构和织构的叫做X射线晶体学. 自从劳厄(von　Laue)发现X射线的衍射现象而布喇格(Bragg)父子奠定了这一学科的基础之后,到现在已有六十六年的历史了.这六十多年,在历…     

美欧专家论述肿瘤放射治疗技术的进展

美国斯坦福大学医学院放射肿瘤学系放射物理部主任Boyer,哈佛医学院荣誉教授Goitein,瑞士Paul Scherrer研究所物理学家Lomax和Pedroni联名发表文章论述肿瘤放射治疗技术的进展.X射线发现后几个月,它就被用于乳腺癌的治疗,以后又利用质子、中子、轻离子(碳等)进行放射治疗.目前使用得较多的是峰值能量在15MeV的X射线和200MeV的质子.放射剂量用人体质量沉积的能量表示,其单位是Gray,1Gy=1J/kg.X射线在路程上以近似指数函数不断衰减,质子则在一定深度内(和质子能量有关)提供剂量.X射线在最初的几个毫米范围内音量较低,因为在这里还没有…     

伦琴对热学和电磁学的贡献

 1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线,这是具有划时代意义的伟大发现.从此,伦琴的名字和X射线紧紧连在一起,人们称X射线为伦琴射线.发现X射线是伦琴为人类做出的最大贡献,这一成就极大地影响了人类生活的各个方面,使伦琴的名字为世人所共知.除此之外,伦琴在物理学其他方面的工作也毫不逊色,只是由于发现X射线这一巨大成就的衬托,相对而言它们却鲜为人知.本文就伦琴在热学和电磁学方面的成就做一探讨.