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第 20 章

20-01
历史迷雾

20-02
核磁共振

20-03
初期探索

20-04
空间编码

20-05
生根发芽

20-06
临床应用

20-07
飞速发展

20-08
后起之秀

20-09
对比剂

20-10
成像仪

20-11
荣誉和奖励


20-02  核磁共振

1946年,美国的两位科学家,分别发现了元素周期表中那些具有磁性的原子核能表现出的一种特殊的理化现象——核磁共振,即Nuclear Magnetic resonance,缩写为“NMR”。这两位发现NMR的科学家——Edward M. Purcell和Felix Bloch,被授予1952年的Nobel物理奖 [⇒ Bloch, Hanson, Packard, ⇒ Purcell, Torrey, Pound]。

Purcell (图20-04) 出生在美国的Illinois,就读于Indiana的Purdue大学。在德国Karlsruhe技术大学做过一年研究之后,就职于Massachusetts理工大学。

图20-04 Edward M. Purcell (1912-1997).

《物理评论》杂志在1945年12月刊登了Purcell的文章,次年1月又刊登了Bloch的文章。根据文章发表时间推测,核磁共振吸收现象大概发现于第二次世界大战刚结束的时候,那时Purcell已经是Harvard的物理学教授。

Bloch (图20-05) 出生于Zurich,在1933年之前,一直就读于Leipzig大学,随后移民美国并于1939年获得美国国籍。1934年就职于Palo Alto的 Stanford大学,1962年担任欧洲核研究组织 (CERN) 首席执行官。1983年,Bloch在Zurich去世。

图20-05 Felix Bloch (1905-1983).


图20-06
《物理评论》杂志在1946年1月刊登的Bloch的简讯。四个月之前,即1945年圣诞前夕,该杂志刊登过Purcell的文章。


spaceholder 600 Purcell和Bloch都是欧洲和美国科研互动的开创者。没有这种互动,就不会产生NMR和MRI。

许多欧洲科学家曾在职业生涯的不同时期移民于美国。有些人在美国定居了,有些人频繁地往返于大西洋两岸,还有一些人则回到了欧洲。但是,几乎没有美国科学家移民于欧洲。出现这种现象的历史原因在第二次世界大战之前和之后是决然不同的。战前,有些科学家为了生存或者政治需要而移民美国,有些科学家西进则源于对自由的向往。

二战后,欧洲科学家移民美国的三大主要原因是:第一,美国的研究设施要好于欧洲;第二,美国有更为灵活的学术体系,而欧洲的学术体系则以大学为主;第三,美国的研究经费和个人收入都比较丰厚。

当时工作在磁共振领域的科学家并不是只有Bloch和Purcell。虽然20世纪20年代的经济危机使西方国家进入了经济大萧条时期,但是,在科学领域里还是硕果累累。

1924年,Wolfgang Pauli (1900-1958) 就预言了核自旋的存在。同年,Edwin Schrödinger(1887-1961)和Werner Heisenberg (1901-1976)开创了量子力学。1925年,George Eugene Uhlenbeck (1900-1988) 和Samuel A. Goudsmit (1902-1978) 提出电子自旋的概念。1926年,Pauli和Charles Galton Darwin (1887-1962)就构造了一个理论框架,将电子自旋的概念引入到量子力学这个物理学新领域中。

那时,Pauli、Uhlenbeck和 Goudsmit去美国工作,Darwin则继续留在英国工作。20世纪30年代,这方面的工作得到了持续发展。

完成了一些起步性的工作之后,Otto Stern (图20-07) 和 Walther Gerlach (1889-1979)于1933年就能通过偏折一束氢分子来测量核的自旋效应(即 Stern-Gerlach效应)。

图20-07 Otto Stern (1888-1969).

Stern因开发了分子射线方法和发现了质子的磁矩而荣获1943年的Nobel物理奖。

20世纪30年代早期,纽约哥伦比亚大学Isidor Isaac Rabi (图20-08) 的实验室成为相关研究的主要中心。

图20-08 Isidor Isaac Rabi (1899-1989).

1937年9月,荷兰学者Cornelis Jacobus Gorter (图20-09) 访问了Rabi的实验室并演示了原子核磁矩的测量方法,这促使Rabi的研究工作取得了突破性进展。Gorter曾进行过类似实验但是失败了,参见图20-10。

图20-09 Cornelis Jacobus Gorter (1907-1980).

随后,在1942年,在饱受战火的荷兰的一个出版物里,Gorter 首次使用了“核磁共振”这个名词,Rabi曾被认为是这个名词的开创者 [⇒ Gorter].

图20-10
1942年Gorter发表的文章的开头部分。

Rabi接受Gorter的建议,对实验方案进行了修改,终于成功地通过实验观察到了共振。1938年,Rabi等人发表了他们的工作,文章题目为“测量原子核磁矩的新方法”,参见图20-11 [⇒ Rabi].

图20-11
1938年Rabi发表的文章的开头部分。该文章报道了Rabi首次观测到的NMR信号,在脚注中,Rabi表达了他对Gorter及Gorter关于实验操作的建议的感激之情。


spaceholder 600 第二次世界大战发生后,科学的发展被中断了。例如,当时,在科学和医学上的领先国家德国,就退出了20世纪30年代的“科研竞赛”。1946年,Bloch和 Purcell的工作使核磁共振领域取得了突破性的进展,随后的几十年中,核磁共振得到了广泛的应用。

还有一个国家对核磁共振的发展也作出了巨大贡献,那就是俄罗斯鞑靼斯坦共和国(首都:喀山),当时是苏联的一部分。

二战末期,喀山大学的Yevgeni K. Zavoisky (图20-12, Евгений Константинович Завойский) 发现了电子自旋共振。在1941年,Zavoisky曾经尝试过检测NMR,但是和Gorter一样,他也失败了 [⇒ Zavoisky].

图20-12 Yevgeni K. Zavoisky (1907-1976).

随后,即1944年1月,Zavoisky成功地检测到ESR信号。信号记录在赛璐珞片上并被手抄到实验室记录簿里,参见图20-13。

图20-13
首次检测到的ESR信号图,于1944年从Zavoisky的示波器屏幕上复制下来的 。图片来源:纪念喀山大学Yevgeni K. Zavoisky实验室。

在20世纪40年代后期,Zavoisky就他的发现发表了一些科学论文,参见图20-14。

图20-14
1945年3月,Zavoisky发表的文章:“顺磁化合物的自旋磁共振”,文中Zavoisky引用了Gorter文章。



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