热度 11
每次讲核磁共振理论，怎么将核磁共振的量子现象和经典解释在逻辑上自洽地统一起来，是我至今没能迈过去的一个坎儿。
核磁共振源于一个量子现象。1896年8月的一天，荷兰物理学家 Zeeman 把一盏燃烧着钠的本生灯放到了电磁铁的两极间，奇妙的事情发生了：原本是单一谱线的钠光谱一下裂变成了三条！进一步的研究揭示了这一现象的奥秘：原来钠原子的电子能级在磁场的作用下产生了裂分，电子在不同能级间的越迁就发出了三种不同波长的光。这一现象被命名为 Zeeman 裂分，Zeeman 本人也因此获得 1902 年的诺贝尔物理奖。
后续的研究工作表明，不仅仅是电子，自旋数不为零的原子核的能级在磁场中也会产生裂分，这就是核磁共振的物理基础。
既然有能级裂分，便会有不同的原子核占领不同的能级。仿佛王母娘娘的瑶池会，上八洞的神仙们坐上座，下八洞神仙们的座次排得稍低一些。下八洞神仙属基层干部，人数上要比上八洞的多一些。占领低能级的原子核在数量上也要比处在高能级的原子核略多，到底多多少？统计力学里的波尔兹曼分布说了算：
下八洞神仙和上八洞神仙的人口差异，是核磁共振实验要检测的信号。从波尔兹曼分布的公式不难看出，能级差越大，人口悬殊也越大，能观察到的信号就越强。然而伤脑筋的是：核能级在磁场中裂分的能级差是如此之小，以至于人口差异微乎其微。以最容易观察到的氢原子核——质子——为例，在一特斯拉的磁场强度下，每一百万个质子中，低能级的质子只比高能级的多出不到三个。正因为此，早期的核磁共振实验要想检测到如此微弱的信号，就像大海捞针一样难。不过，这枚针还是被拉比麾下的精兵强将们给捞出来了。
捞针的方法就是诱发共振，用频率匹配的电磁波，让处于低能级的原子核越迁到高能级上。在系统重建热平衡的过程中，从高能级向低能级回归的神仙们就会释放出同样频率的电磁波——核磁共振的信号。后来，物理学家 Hahn 发明了一个巧妙的检测信号的方法，并给他的信号起了一个浪漫动听的名字——回声（echo）。每次看到这个名字我都想：将来退休了我要写一本关于核磁共振史的书，书名就叫——倾听回声。的确，核磁共振研究就是趣味无穷的“聆听”回声的游戏。
这就是我理解的通俗版的核磁共振的量子理论。
（未完待续）
