从拍西瓜说到地质勘探|界面新闻

作者：武际可魏东平

众所周知的拍西瓜

在瓜地里的瓜把式、或者卖瓜的营业员，要判断哪个瓜熟了，只要往瓜上轻轻一拍，听声音，就能够做出判断。有时为了更仔细些，他们把瓜用一只手端起来，另一只手拍一拍，一边听声音，一边凭端瓜的那只手的感觉，就可以综合做出判断。

也许你会问，要判断瓜的生熟，把瓜切开不就一目了然了吗。当然了，不过切开的瓜，就不能较长时间保存。如果是生瓜，存放几天，它还能够自然成熟。可是把它切开后，不能存放太久，就会造成浪费。在我们要了解一件东西内部的情况时，直接打开看（例如切开西瓜）是一种办法，这通常被称为有损检验。因为把它打开了，当然对它是有损伤的。用手拍一拍西瓜，听声音，这称为无损检验法。

刚才我们说的对西瓜的生熟检验，卖瓜的当然会选择无损检验了。因为对于生瓜，可以放几天等待熟了继续卖。

从“拍西瓜”延伸

实际上我们需要检验的东西是多种多样的。一根大型机器上的轴，其中有没有微裂纹，一件大型的铸件，其中有没有砂眼，人的肺部有没有结核菌感染，地底下有没有矿藏，海关需要了解旅客的行李箱里有没有违禁物品，等等问题，都需要回答。特别是最好用无损检验的方法来回答，有的也只能用无损的方法来回答。而要用无损方法来检验这些不同的问题，从方法的原理上来说，还是我们一开头说的拍西瓜办法的发展。

一般的固体物体都可以发出声音。拍西瓜就是凭借拍西瓜发出的声音来判断生熟的。固体物体也能够传播声音，拍西瓜时，端西瓜的那只手会感觉传来的振动。一般说，生瓜的硬度比熟瓜大(即弹性系数较大)，而同样形状的物体中，弹性系数大的物体频率高。我们又知道物体发声的频率还与物体的密度有关。不过生瓜和熟瓜的密度差别不会太大。所以有经验的高手听声音大致就能够判断瓜的生熟。

其实，用声音来检验的方法，年代已经非常早了。早在一二百年之前，在医学上人们就已经用所谓叩诊法来诊断人体深部是否正常。特别是看肺部是不是有由于结核病引起的空洞。其道理和拍西瓜相同。方法是用左手中指末稍两指节紧贴于被检部位，其余手指要稍微抬起勿与体表接触；右手各指自然弯曲，以中指的指端垂直叩击左手中指第二指節背面。听叩击的声音，有清浊之别，便可以大致确定是否有病。自然是有空洞时声音比较低沉。

二十世纪初，人们发现了超声波，很快人们便发现超声波的一些重要特点。频率在每秒20000次以上的声音，人耳听不见，所以称为超声波。它有穿透性强、方向性好的特点。用超声波进行无损检验会有更优秀的性能。它的原理和拍西瓜完全是一个道理。

不同的是，西瓜是用手去拍，而用超声波检验是用一个超声波发生器将生出的超声波传送到被检测的物体内部，然后在物体另外的地方安放一个超声波的接收器或显示设备。这样，就能够根据超声波传播中、直射、衰减、受阻、反射等不同情况，来判断物体内部的结构。

我们经常需要了解地下的结构，看是否有矿藏。这时，可以把地球这个大物体看做像西瓜一样。不过用手拍一拍就无济于事了。需要用一个有一定能量的爆炸、或巨大的落锤来激发一个人工地震。这时，地震波可以通过地层传播与反射。我们在若干个地方放置探测器来接收传来的信号，把这些探测器得到的地震信号进行分析，就能够得到地质构造的大致情况，从中判断有没有矿藏。

如图，在左边地坑里面有一个爆炸造成人工地震，那辆汽车在进行多点测量。得到的讯号绘制在图的右半边。从中可以得到地下密度变化的三个地层。根据地震波的速度还能够计算出层间的距离。图的右边有一辆车正在挖掘地坑，准备做下一次的人工地震。

1946，费利克斯·布洛赫和爱德华·珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。

核磁共振的基本原理是：原子核有自旋运动，在恒定的磁场中，自旋的原子核将绕外加磁场作回旋转动，叫进动(precession)。进动有一定的频率，它与所加磁场的强度成正比。如在此基础上再加一个固定频率的电磁波，并调节外加磁场的强度，使进动频率与电磁波频率相同。这时原子核进动与电磁波产生共振，叫核磁共振。