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生物磁现象

磁是什么?一般提起磁,有些人都觉得磁是较为少见的,好象主要就是磁石或磁铁吸引铁,而把一般物质称为无磁性或非磁性。

情况真是这样吗?现代科学的发展已经表明这样的看法是不对的。现代科学研究和实际应用已经充分证实:任何物质都具有磁性,只是有的物质磁性强,有的物质磁性弱;任何空间都存在磁场,只是有的空间磁场高,有的空间磁场低。所以说包含物质磁性和空间磁场的磁现象是普遍存在的。

生物也有磁性吗?这些磁性还有重要的应用吗?这好像是难理解的。通过现代科学的大量和广泛的观测、实验和理论研究,表明包括人在内的生物体不但具有磁性和产生磁场,而且这些磁性和磁场对于生物还有着重要的使用。

磁是什么?一般提起磁,有些人都觉得磁是较为少见的,好象主要就是磁石或磁铁吸引铁,而把一般物质称为无磁性或非磁性。

情况真是这样吗?现代科学的发展已经表明这样的看法是不对的。现代科学研究和实际应用已经充分证实:任何物质都具有磁性,只是有的物质磁性强,有的物质磁性弱;任何空间都存在磁场,只是有的空间磁场高,有的空间磁场低。所以说包含物质磁性和空间磁场的磁现象是普遍存在的。

生物也有磁性吗?这些磁性还有重要的应用吗?这好像是难理解的。通过现代科学的大量和广泛的观测、实验和理论研究,表明包括人在内的生物体不但具有磁性和产生磁场,而且这些磁性和磁场对于生物还有着重要的使用。

我们的生活每时每刻都和磁性有关。没有它,我们就无法看电视、听收音机、打电话;没有它,连夜晚甚至都是一片漆黑。

人类虽然很早就认识到磁现象,但直到了现代,人们对磁现象的认识才逐渐系统化,发明了不计其数的电磁仪器,象电话、无线电、发电机、电动机等。如今,磁技术已经渗透到了我们的日常生活和工农业技术的各个方面,我们已经越来越离不开磁性材料的广泛应用。

由于物质的磁性既看不到,也摸不着,我们无法通过自己的五种感官(听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉)直接体会磁性的存在,但人们还是在实践中逐步揭开了其神秘面纱。磁铁总有两个磁极,一个是N极,另一个是S极。一块磁铁,如果从中间锯开,它就变成了两块磁铁,它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小,它总是有N极和S极,也就是说N极和S极总是成对出现,无法让一块磁铁只有N极或只有S极。

磁极之间有相互作用,即同性相斥、异性相吸。也就是说,N极和S极靠近时回相互吸引,而N极和N极靠近时回互相排斥。知道了这一点,我们就明白了为什么指南针会自动指示方向。原来,地球就是一块巨大的磁铁,它的N极在地理的南极附近,而S极在地理的北极附近。这样,如果把一块长条形的磁铁用细线从中间悬挂起来,让它自由转动,那么,磁铁的N极就会和地球的S极互相吸引,磁铁的S极和地球的N极互相吸引,使得磁铁方向转动,直到磁铁的N极和S极分别指向地球的S极和N极为止。这时,磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近。

磁性与磁场

什么是磁性?简单说来,磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。在相同的不均匀磁场中,由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度,来确定物质磁性的强弱。因为任何物质都具有磁性,所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用。图3是测量物质磁性的磁天平仪。

怎样表示物质磁性的强弱呢?为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它?在一块硬纸板的下面放两块磁铁,并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象?铁的粉末会自动排列起来,形成一串串曲线的样子。其中,N极和S极之间的曲线是连续的,也就是说曲线从N极直至S极。而S极和S极之间的曲线互相排斥,不能融合和贯穿。这种现象说明,磁铁的磁极之间存在某种联系。因此,我们可以假想,在磁极之间存在着一种曲线,它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线,并规定磁力线从N极出发,最终进入S极。这样,只要有磁极存在,它就向空间不断地发出磁力线,而且离磁极近的地方磁力线密,而远处磁力线稀疏(图4)。铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。

有了磁力线,我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白,磁力线是我们为了理解方便而假想的,实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线,而是一种场,我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。我们知道,物质之间存在万有引力,它是一种引力场。磁场与之类似,是一种布满磁极周围空间的场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示,磁力线密的地方磁场强,磁力线疏的地方磁场弱(图5)。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度

运动的带电粒子在磁场中会受到一种称为洛仑兹(Lorentz)力作用。由同样带电粒子在不同磁场中所受到洛仑磁力的大小来确定磁场强度的高低。图6是测量脉冲强磁场的磁通密度特斯拉磁强计,简称特斯拉计。特斯拉是磁通密度的国际单位制单位。磁通密度是描述磁场的基本物理量,而磁场强度是描述磁场的辅助量。特斯拉(Tesla,N)(1886~1943)是克罗地亚裔美国电机工程师,曾发明变压器和交流电动机

物质的磁性不但是普遍存在的,而且是多种多样的,并因此得到广泛的研究和应用。近自我们的身体和周边的物质,远至各种星体和星际中的物质,微观世界的原子、原子核和基本粒子,宏观世界的各种材料,都具有这样或那样的磁性。

世界上的物质究竟有多少种磁性呢?一般说来,物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性,再根据磁性的不同特点,弱磁性又分为抗磁性、顺磁性反铁磁性,强磁性又分为铁磁性亚铁磁性。这些都是宏观物质的原子中的电子产生的磁性,原子中的原子核也具有磁性,称为核磁性。但是核磁性只有电子磁性的约千分之一或更低,故一般讲物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量,而且原子核磁性在一定条件下仍有着重要的应用,例如现在医学上应用的核磁共振成像(也常称磁共振CT,CT是计算机化层析成像的英文名词的缩写),便是应用氢原子核的磁性。

物质的磁性来自构成物质的原子,原子的磁性又主要来自原子中的电子。那么电子的磁性又是怎样的呢?从科学研究已经知道,原子中电子的磁性有两个来源。一个来源是电子本身具有自旋,因而能产生自旋磁性,称为自旋磁矩;另一个来源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性,称为轨道磁性。我们知道,物质是由原子组成的,而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的。原子核好象太阳,而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外,电子除了绕着原子核公转以外,自己还有自转(叫做自旋),跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的“太阳系”(图7)。另外,如果一个原子的核外电子数量多,那么电子会分层,每一层有不同数量的电子。第一层为1s,第二层有两个亚层2s和2p,第三层有三个亚层3s、3p和3d,依此类推。如果不分层,这么多的电子混乱地绕原子核公转,是不是要撞到一起呢?

在原子中,核外电子带有负电荷,是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性,成为一个小小的磁铁,具有N极和S极。也就是说,电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况。

既然电子的自转会使它成为小磁铁,那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢?当然不是。如果是的话,岂不是所有的物质都有磁性了?为什么只有少数物质(象铁、钴、镍等)才具有磁性呢?原来,电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中,具有向上自转和向下自转的电子数目一样多,如图8所示,它们产生的磁极会互相抵消,整个原子,以至于整个物体对外没有磁性。而低于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说,虽然这些电子所磁矩不能相互抵消,导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间没有相互作用,它

们是混乱排列的,所以整个物体没有强磁性。只有少数物质(例如铁、钴、镍),它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样,这样,在自转相反的电子磁极互相抵消以后,还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消,如图9所示。这样,整个原子具有总的磁矩。同时,由于一种被称为“交换作用”的机理,这些原子磁矩之间被整齐地排列起来,整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时,物体显示的磁性强弱也不同。例如,铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多,原子的总剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少,所有它的磁性比较弱。

抗磁性和抗磁共振(回旋共振)

物质的抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消,合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时,电子轨道运动会发生变化,而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比值,符号为κ。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一(-10-6)。常见的抗磁物质:水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织。抗磁物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化。物质抗磁性的应用主要有:由物质的磁化率研究相关的物质结构是磁化学的一个重要研究内容;一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振),由此可测定半导体中载流子(电子和空穴)的符号和有效质量(如图10所示);由生物抗磁(性)组织的磁化率异常变化可推测该组织的病变(如癌变)。

一般在作体格检查时常要做心电图的检查,在身体上几处贴上电极片,然后用心电检测仪测绘出心电图,再根据心电图来诊断心脏活动是否正常?是否有什么疾病?这是因为人的心脏活动会产生心脏电流,而心脏活动的正常与否便会反映在心脏电流随时间的变化上。这种心脏电流变化称为心电图。但心电图会受电极片接触情况的影响,而且心电图不能反映心电流的直流分量,电极片更不能离开人体。但我们知道,电流会产生磁场,因此心脏电流会产生心脏磁场,原理上同心电图一样也会有心磁图,但是同心电图相比较,要测量心磁图却很困难,可是从心磁图获得的心脏信息却更多和更有其优点。

磁在生物学和医学方面的一项重要应用是原子核磁共振成像,简称核磁共振成像,又称核磁共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和电子计算机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素,也即这种核素的化学元素的浓度分布图像。目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点。例如,X射线层析成像得到的是成像物的密度分布图像,而核磁共振层析成像却是成像物的原子核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的密度分布图像,但氢元素是构成人体和生物体的主要化学元素。因此,从核磁共振层析成像得到的氢元素分布图像,要比从X射线密度分布图像得到人体和生物体内的更多信息。例如,人体头部外

层头骨的密度高,而内层脑组织的密度较低,因此从人头部的X射线层析成像难于得到人脑组织的清晰图像,但是从人头部的核磁共振层析成像却可以得到头内脑组织的氢原子核即氢元素分布的清晰图像,从而可以看出脑组织是否正常。又例如,对于初期肿瘤患者,其组织同正常组织尚无明显差异时,从X射线层析成像尚看不出异常,但从核磁共振层析成像就可看出其异常了。图1是我国研制生产的核磁共振层析成像装置正在为病人检查,图2 是以一脑瘤病人头部的核磁共振层析成像和X射线层析成像。在核磁共振层析成像中可以检查出的脑瘤(A),但在X射线层析成像中却看不出来。目前核磁共振层析成像应用的虽然还只有氢核一种原子核素,但从科学技术发展看,可以预言将会有更多的原子核素,如碳核和氮核等的核磁共振层析成像也将进入应用。

我们在体格检查或因心脏、脑部疾病去医院就医时,常常需要做心电图或脑电图的检查,由此了解心脏或脑部的生理和病理情况。但是我们知道电的活动(电流)会产生磁场,因此在心电流产生心电图和脑电流产生的脑电图时,也应该有心磁场产生的心磁图和脑磁场产生的脑磁图。那么为什么目前医院里还没有应用心磁图和脑磁图呢?这是因为心脏产生的心磁场和脑部产生的脑磁场都太微弱,不但需要特别的高度灵敏的测量心、脑磁场的磁强计,例如应用在很低温度下才能使用的超导量子干涉仪(SQUID)式磁强计,而且由于微弱的心脏磁场只有地球磁场的大约百万分之一(10-6),更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约亿分之一(10-8),因此在测量心脏磁场和脑部磁场时还必须排除地球磁场的干拢,这就需要在能把地球磁场显著减小的磁屏蔽室中进行心、脑磁场的测量,或者利用超导量子干涉仪式磁场梯度计在没有磁屏蔽室时进行心、脑磁场的测量。这是因为磁场梯度计只测量不均匀的磁场,而对均匀的磁场无反应。而在小的区域中的地球磁场是均匀的,但人的心、脑磁场却是随距离心、脑远近的不同而不同的非均匀磁场,故可以用高灵敏度的超导量子干涉仪式磁场梯度计而不需用磁屏蔽室便可以测量人的心、脑磁场。可以看出,心、脑磁场的测量要比心、脑电场的测量复杂和困难得多,因而在应用上受到许多限制。目前国外和我国虽然都研制出超导量子干涉式磁强计,大的磁屏蔽室和超导量子干涉式磁场梯度计,但都还没有实际和大量应用到心、脑磁场和心、脑磁图的测量上。

但是,从另一方面看,同心、脑电图相比较,心、脑磁图在医学应用上却有许多特点和优点。例如,心电图只能测量交变的电流信号,不能测量直流(恒定)的电流信号,因而不能应用于只产生直流异常电信号的生理病理探测,而心、脑磁图却能同时测量交变和直流(恒定)的磁场信号。又例如,心、脑电图的测量都需要使用同人体接触的电极片,而电极片的干湿程度及同人体接触的松紧程度都会影响测量的结果,同时因使用电极片,不能离开人体,故只能是2维空间的测量,但是心、脑磁图却是使用可不同人体接触的测量线圈(磁探头),既没有接触的影响,又可以离开人体进行3维空间的测量,可得到比2维空间测量更多的信息。再例如,实验研究结果表明,心、脑磁图比心、脑电图具有更高的分辩率。还有除了心、脑磁图外,到目前已经测量研究了人体的眼磁图、肌(肉)磁图、肺磁图和腹磁图等,取得了人体多方面的磁信息。图3显示出一位癫痫病人头部由脑磁场测量确定的脑神经缺损区病灶。为了提高测量人体心、脑等磁场的分辩率,可以采用几个到几十个测量磁场的磁探头。

许多人都知道,家里养的鸽子可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里;燕子等候鸟每年都在春秋两季分别从南方飞回北京,又从北方飞到南方;一些海龟从栖息的海湾游出几百几千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨别方向的?尤其是在茫茫的海洋上。难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗?大量的和长期的观察研究表明,这些生物从原居处远行后再回到原居处,的确是与地球磁场有关的,或者可能有关的。我们来看看一些观察研究的情况。

首先关于鸽子的观察研究。曾将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的铜块,在远离鸽巢放飞后,绑有铜块的鸽子全部都飞回鸽巢,但大部分绑有永磁铁的鸽子却迷失方向而未返回鸽巢。这表明永磁铁的磁场干扰,使鸽子不能识别地球磁场。又曾将一组鸽子放置在鸽巢和与鸽巢的地球磁场相同的地磁共轭点(距鸽巢数千公里)之间的中点处,放飞后这些鸽子大约有一半飞回原来的鸽巢,其余的鸽子却飞到鸽巢的地球磁场共轭点处了。这表明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢的。还有一些观察显示,鸽子在无线电台等强电磁场附近常会迷失方向。这表明强的电磁场会干扰鸽子识别地球磁场。是什么使鸽子能识别地球磁场呢?进一步观察研究发现鸽子头部含有少量的强磁性物质四氧化三铁(Fe3O4)。我国古代的司南指南器就是利用天然磁铁矿石制造的,其主要成分也是Fe3O4。但是鸽子是否是利用其头部的Fe3O4导航(识别地球磁场方向)?又是如何利用Fe3O4导航的?这些都是需要进一步研究的问题。

其次关于海龟回游的观察研究。对出生在美国东南海岸的一种海龟游动进行的观察显示在图4中,幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游,经过若干年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依靠什么导航呢?有的观察研究者认为同地球磁场有关,并进行了这样的实验研究。在装有海水并加上人造磁场的大容器中,观测到磁场的确影响海龟的航行。当人造磁场反向时,海龟的游动也反向。这表明磁场是影响海龟的航行的。但是磁场影响海龟航行的程度和机制等都是需要进一步研究的。

磁性细菌的磁导航

在20世纪70年代,一位美国博士生在研究细菌时偶然观测到一种水生细菌总是朝北方和一定深度的水下游动。这一奇特现象引起了他和后来更多的研究者的关注。对这种后来称为磁性细菌或称向磁性细菌的大量的观测和研究取得了许多重要的结果。首先,分别在北半球的美国、南半球的新西兰和赤道附近的巴西对

这种磁性细菌的观测研究表明,这种磁性细菌在北半球是沿着地球磁场方向朝北和水下游动,而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南和水下游动,但在赤道附近则既有朝北游动的,也有朝南游动的。其次,由细菌体分析研究表明,在这种长条形细菌体中,沿长条轴线排列着大约20颗细黑粒,如图5电子显微镜的放大像所示。这些细黑粒是直径约50纳米的强磁性Fe3O4。再其次,将这种细菌在不含铁的培养液中培养几代后,其后代体内便不再含有Fe3O4细粒,同时也不再具有沿地球磁场游动的向磁性了。总之,这些观察、实验和研究表明,磁性细菌所表现的沿地球磁场游动的特性是同细菌体内所含的强磁性Fe3O4(也可称为铁的铁氧体)分不开的。

如果进一步再问:为什么这些强磁性铁氧体颗粒的直径总是在50纳米左右,而不是更粗或者更细的颗粒?为什么这些磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向会分别向北和向南?目前的研究是这样说明的:这种强磁性铁氧体(Fe3O4)颗粒在50纳米附近正好形成单磁畴结构,可得到最佳的强磁性。如果颗粒太粗,会形成多磁畴结构,而如果颗粒太细,又会产生超顺磁性,都会使其强磁性减弱。这种磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向分别向北和向南,是因为这种磁性细菌是一种厌氧性细菌,这样沿地球磁场游动都正好离开海洋表面而游向少氧的海面下,而且在这样海面下也正是养料较为丰富的区域。不过这些解释是还需要进一步的观察、实验和研究的。


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