水素原子の向き他

質問

私は高校３年です。今、MRIの動作原理について説明し、いかなる質問にも答えられるようにならなければならず、困っています。

本題ですが、MRIの動作原理についてはひととおりわかっています。
以下質問です。
1.水素原子は通常様々な方向を向いているとありましたが、なぜそれがわかるのですか？また、なぜ（磁場によって）一定の方向を向いたと言えるんですか？
2.吸収したRFパルスが放出される方向はきまっているんですか？決まっていないとすれば、どうやって電波を受信するのですか？
3.検査中の音が大きさは、具体的にどうすれば軽減できるんですか？
（以下の質問は無視していただいても構いません。）
4.RFパルスの周波数、波長はどのくらいですか？
5.なぜ磁場によって水素原子は方向を変えるのか？
6.傾斜磁場について詳しく教えてください。

回答よろしくお願いします。

回答No.2

imoriimori · ベストアンサー

#1様と同様に、「MRIの動作原理についてはひととおりわかっています」ならこういう質問はない、というか少なくともこういう掲示板でさらさらとわかるようなものではないということもわかっているんじゃないかと思うのですが。
とりあえずごく易しい（それでは到底ことの真相はわからないとしても）入門書をざっと見てからのほうが妥当です。本来は大学で理工系を学んだ上でさらに年単位の学習が要ります。
が、とりあえず簡単に。

１．たくさんの原子核が特定の方向を向くと考えるほうが不自然では？いったいどの方向を向く？熱運動でこづき回されていれば、そのこづき回す力にまさる外力を加えない限りばらばらです。その外力が、１．５テスラなどの静磁場です。それでもこづき回す力のほうが優勢で、静磁場の方向を向く傾向がほんの少し出てくるという程度です。

２．放出される方向は決まっているというかいないというか。何をもってそういうか次第ですが、ＭＲＩの情報を含んでいるＲＦ信号の向きには特定の癖があります。受信方法はファラデーの電磁誘導現象です。

３．傾斜磁場コイルが音の発生源ですが、傾斜磁場コイルを真空容器で囲むなどすれば音の伝搬が減ります。

４．静磁場強度に比例です。１．５テスラなら６４ＭＨｚです。波長は光速を周波数で割った値。

５．水素原子ではなく水素原子核です。スピンという性質により小さな磁石の性質を持っているので、外から加えられた磁場に影響を受けて、多少ながら向きを変える。１で述べたとおり。

６．どこも同じ磁場強度だと、水素原子核からの信号はどれも全く同じ周波数になり場所の区別がつかない。どの場所から来ているかは、場所毎に少し磁場が違うようにしてやると、周波数を調べれば区別をつけられる。これだけじゃないですが。

蛇足ですが、別質問の「ＭＲＩの欠点」は閉じるか何か処理をされては？？回答者としては理解されたのかどうかわかりません。聞きっぱなしはよくないです。

回答No.3

anthracene

質問の内容はMRIの話というよりは、その基礎の1H NMRの話ですね。

NO.2の方もお答えの通り、はっきり行って高校生レベルの物理できちんと説明するのは無理だと思います。
たとえ話の形でなら説明はできますが、それで完全に理解できるわけはありません。
最低限、光（電磁波）の吸収と放出、スピンと磁気モーメントの話くらいは分かっていないと何をいっとるんだ状態になってしまうと思いますよ。

質問者さんは何かで勉強されたのでしょうが、どのような書物をご覧になったのでしょうか？またその内容は理解できたのですか？

NO.1にも書きましたけど、高校レベルで作動原理を理解し説明するのは範囲を逸脱しすぎだと思いますが・・・
どの程度の説明をこちらがしても大丈夫か判断がつきかねます、現状では。

回答No.1

anthracene

動作原理についてわかっている、というのなら、１，２，５のような原理的に誤ったしつもんは出ないでしょう・・・
高校生ということですが、水素原子の核スピンというものをちゃんと分かっていますか？

MRIの動作原理について全て答えるというのは大学レベルの量子力学および多次元NMRの知識が必要だと思いますが、そこまでの知識を必要とする課題なのですか？