348
13 Fysikk og teknologi
N S
Ladninger som beveger seg, skaper magnetfelt både i strømsløyfer i den makroskopiske verden og i protoner med spinn i den mikroskopiske partikkelverdenen.
Fra kapittel 8 husker vi at det oppstår et magnetfelt omkring en strømførende sløyfe fordi ladninger (elektroner) beveger seg i sløyfen. Nordpolen finner vi ved hjelp av høyrehåndsregel nr. 2, se figuren i margen. Siden protonet er positivt ladd, kan vi tenke oss at et roterende proton inneholder elektriske ladninger som beveger seg i ring slik som i en spole. Protonets spinn fører altså til at protonene opptrer som «minimagneter». I et ytre magnetfeltet B0 vil minimagneter stille seg inn slik at den magnetiske nordpolen peker i magnetfeltretningen. Kvantemekanikken forteller oss at bildet er mer komplisert for protoner. For å forklare noe av det som skjer bruker vi et energidiagram se. Se diagram øverst på neste side. Uten et ytre magnetfelt har alle protonene samme energi uansett spinn retning. I et ytre magnetfelt oppstår det to energinivåer for protonene: ett nivå for spinn som er rettet inn etter magnetfeltet («spinn opp»), og ett nivå for spinn som peker i motsatt retning («spinn ned»). På figuren på neste side er de to spinntilstandene markert som en pil som peker opp eller ned. E ∆E
Uten ytre magnetfelt er det ikke noen forskjell i energinivå mellom ulike spinntilstander for protonene
Protonene kan endre spinntilstand ved å absorbere eller avgi energi
I et ytre magnetfelt er det to mulige energinivåer for protonenes spinn. Avstanden ∆E mellom energinivåene er proporsjonal med mangetfeltstyrken B0
Man kunne tenke seg at alle protonene rettet seg inn etter magnetfeltet på samme måte som magneter gjør det, med andre ord at alle protonene var i spinn opp-tilstanden. Men i kvanteverdenen er det ikke slik: noen spinn opp-tilstander vil spontant absorbere energi fra omgivelsene og eksiteres til en mer energirik spinn ned-tilstand. Men protoner i spinn ned-tilstanden vil etter en tid spontant avgi energi og falle tilbake til spinn opp-tilstanden. Det oppstår en likevekt der det er flest protoner i tilstanden med lavest energi. Om vi kunne ta et øyeblikksbilde av protonene i MR-pasienten, ville det kanskje se slik ut. Spinnaksen til ulike protoner peker i ulike retninger, men spinnene fordeler seg på to energinivåer, markert med pil opp eller pil ned på figuren.
Det viser seg at energiforskjellen ΔE mellom spinn opp- og spinn ned- tilstanden er proporsjonal med magnetfeltstyrken B. Et foton som har nøyaktig denne energien, vil kunne eksitere et proton fra spinn opp- til spinn ned-tilstanden. Det kaller vi magnetisk resonans. RF-pulsen fra senderspolene inneholder fotoner med akkurat riktig energi for å eksitere protoner i undersøkelsesområdet.