不知道大家有沒有家人曾經去醫院照過核磁共振

儀器可以掃描人體的各個切面

得到各層非常清楚的身體內部影像

骨骼器官的細部結構都能看得到

那核磁共振的原理到底是什麼呢？

在解答之前

讓我們先複習之前學到電和磁的相關概念

一開始人們知道有電和磁的概念

電荷會產生電場

磁鐵會產生磁場

這是靜電和靜磁學的內容

但之後科學家發現電與磁不是獨立的

穩定的電流會產生磁場

封閉線圈內的磁通量改變會產生電流

建立了動電學的理論

讓我們將所有理論條列下來

靜電學、電荷會產生電場

也就是庫侖定律

還有靜磁學

單獨的磁極不存在

不管如何分割磁鐵

永遠都同時帶有N極和S極

接著是電動生磁

電流會產生磁場

也就是安培定律

以及磁動生電

封閉線圈內的磁通量改變會產生電場

進而驅動電荷移動產生電流

也就是法拉第的電磁感應定律

如果我們仔細觀察這些理論

會發現電與磁之間存在了一些對稱性

但又不全然對稱

比如第一和第二條

如果電和磁是對稱的

第二條應該是磁單極會產生磁場

但是自然界中磁單極不存在

磁力線都是封閉的

接著看第三條

電流會產生磁場

若電與磁對稱

第四條應該是磁流的變化會產生電場

但是因為電流是由於靜電荷移動所產生

而磁卻沒有磁單極

N、S極永遠同時出現

所以沒有靜磁荷

磁流永遠等於零

如果用電荷來類比

就是正負電荷永遠同時出現

靜電荷等於零

因此電流等於零

經過以上的推論

我們可以得知

「磁流的變化會產生電場」這句話沒有意義

不過這不是所有的對稱性

當科學家馬克士威

嘗試將這些理論統合起來時

他發現若第三和第四條對稱

因為磁場的變化會產生電場

第三條應該要加上

電場的變化會產生磁場才對

馬克士威把這一條

加入了他的電磁學統一理論

寫成著名的馬克士威方程式

但這個預測建構在電與磁對稱的假設上

我們必須透過實驗

才能證明這個現象是否真的實際存在

想像有一個連接交流電源的線圈

根據安培定律

線圈周圍會產生磁場

如果將中間一段導線移走

並加上兩面互相平行的金屬板

兩板之間不會有電流

那平板周圍的磁場仍然存在嗎？

如果線圈連接的是直流電

很明顯的

斷路之後整條導線就沒有電流

磁場也就不存在

但是如果連接的是交流電

雖然斷路處沒有電流

沒斷的導線中電流仍正常來回流動

並在平板兩端形成不同的電位

因此平板間會產生電場

方向由高電位指向低電位

由於連接的是交流電源

電場方向會不斷來回振盪

根據馬克士威方程式

電場的變化會產生磁場

因此雖然切口處沒有電流

仍會產生磁場

而且產生磁場的形狀和大小

與線圈還未被切斷時相同

科學家赫茲製作出一個振盪電路

相當於一個交流電源

並證實了這個現象

說明馬克士威的預測是正確的

我們來思考一下這個問題

下列哪一個裝置周遭無法量測到磁場

電線桿上電線和室內插座的電

都來自發電廠產生的交流電

電池輸出的則是直流電

此外

選項A、C為通路

電流會產生磁場

選項B雖然是斷路

但交流電有變化的電場

因此也會產生磁場

而選項D是直流電

沒有變化的電場

因此不會產生磁場

學習過新內容之後

讓我們來回答片頭的問題

核磁共振的全名包含核與磁

也就是氫原子核和磁場

它們之間的共振會產生電訊號

透過量測這些訊號

就可以生成身體內部的清晰圖像

詳細原理如下

我們身體中的原子

有很大比例是由氫組成

包括水和油脂

氫原子核由一個帶有自旋的質子組成

由於質子帶有正電荷

一個旋轉的質子

可以被想像成一個通電的線圈

有電流就會產生磁場

因此氫原子核可以被想像成一個小磁鐵

做核磁共振時

機器內部會有一個強大的背景磁場

這些小磁鐵就會全部指向背景磁場的方向

接著機器會加上一個規律振盪的電磁場

由於變動的電場也會產生磁場

因此會造成整體磁場規律的變化

氫原子的方向也跟著規律改變

改變的頻率與背景磁場的強度有關

科學家透過把從頭到腳

各個位置的背景磁場大小調整的不相同

就可以把全身分成不同薄片

有各自不同的振盪頻率

當關掉振盪的電磁場後

這些氫原子就會慢慢停止振盪

回到原本指向背景磁場方向的靜止狀態

不同的組織含氫原子的量不同

因此回到靜止狀態所需的時間

和訊號強度都不一樣

透過觀察這些訊號

就可以生成核磁共振影像

核磁共振常用於感染和腫瘤類的疾病

因為這些疾病會造成組織的含水量改變

可以由核磁共振清楚地看出來

由於核磁共振只需要電磁場

不像照X光必須暴露在高頻率的輻射之下

因此是相當安全的檢查

今天我們學習到統一的電磁學理論

不只包含庫侖定律

單獨的磁極不存在

以及安培定律和電磁感應定律

也就是電動生磁和磁動生電

另外我們也透過電與磁的對稱性

發現變動的電場也會產生磁場

將所有理論寫下來就是馬克士威方程式

核磁共振就是這個理論的一個著名應用

馬克士威告訴我們

不只變動的磁通量會產生電場

變動的電場也會產生磁場

因此兩者會不斷地相互產生和影響

形成振盪的波形

馬克士威稱之為電磁波

我們現在用的手機和無線電等通訊

都是使用電磁波的原理

電磁波到底是怎麼生成的

又該如何被應用在生活中呢？

詳細的內容將在下支影片中介紹

我們下次見！bye bye