1952年諾貝爾物理學(xué)獎

1、1952年諾貝爾物理學(xué)獎一磁共振1952年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的布洛赫(Felix Bloch，1905-1983)和美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)的珀塞爾(Edward Purcell，19121997)，以表彰他們發(fā)展了核磁精密測量的新方法及由此所作的 發(fā)現(xiàn)。1945年12月，珀塞爾和他的小組在石蠟樣品中觀察到質(zhì)子的核磁共振吸收 信號，1946年1月，布洛赫和他的小組在水樣品中也觀察到質(zhì)子的核感應(yīng)信號。 他們兩人用的方法稍有不同，幾乎同時在凝聚態(tài)物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了核磁共振。他們發(fā) 展了斯特恩開創(chuàng)的分子束方法和拉比的分子束磁共振方法，精確地測定了核磁 矩。以后許多物理學(xué)家進

2、入了這個領(lǐng)域，形成了一門新興實驗技術(shù)，幾年內(nèi)便取 得了豐碩的成果。所謂核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁場中由電磁波引起的共振躍 遷現(xiàn)象。核磁共振的發(fā)現(xiàn)，跟核磁矩的研究緊密相關(guān)。追根溯源，還要從原子核 的發(fā)現(xiàn)說起。1911年，盧瑟福根據(jù)a粒子散射實驗提出核原子模型后，由于原子核是一 個帶電的力學(xué)體系，人們就推測原子核具有電磁矩。但當(dāng)時引入這個概念還缺乏 可靠的實驗數(shù)據(jù)，直到原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)以后，泡利于1924年才正式 提出，原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)是核自旋與外電子軌道運動相互作用的結(jié)果；原子 核應(yīng)具有自旋角動量和磁矩。斯特恩對核磁矩作過重要研究。他創(chuàng)造了分子束方法，后來在1933年和弗

3、 利胥(O.Frisch)、愛斯特曼(I.Estermann)等人用分子束實驗裝置測量氫分子中 質(zhì)子和氘核的磁矩。所得結(jié)果表明質(zhì)子磁矩比狄拉克電子理論預(yù)言的大2.5倍而 氘核磁矩則在0.5到1個核磁子之間。氘核是由質(zhì)子和中子組成的，由此即可推 測中子也有磁矩。這說明盡管中子整體不帶電，其內(nèi)部卻有電荷分布和電流效應(yīng)。 這些實驗事實，激勵了其他人對核的電磁特性的探索。拉比后來對分子束磁共振 方法的研究和布洛赫對核磁共振的研究都是受到了斯特恩的啟發(fā)。斯特恩開創(chuàng)了 新的方法，結(jié)果是令人驚奇的，但是精確度并不很高，難以作出決定性的判斷， 這就促使他們致力于改進分子束方法的精確性，以求找到更精確的方法，取

4、得更 可靠的結(jié)果。拉比的分子束磁共振方法就是對斯特恩實驗的重大改進。改進的關(guān) 鍵在于利用了共振現(xiàn)象。20年代末，拉比訪問歐洲時，就在斯特恩的實驗室里 工作了一年，研究原子磁矩的測量。1929年，他回到哥倫比亞大學(xué)開展原子束 分子束的研究。后來他受到荷蘭物理學(xué)家哥特(C.J.Gorter)的啟發(fā)，并于1938 年把哥特射頻共振法應(yīng)用于分子束技術(shù)，創(chuàng)立了分子束共振法。首先介紹一下哥特的射頻共振法。哥特曾試圖直接觀測核磁矩體系對電磁波 的吸收但沒有成功。1936年他使用量熱器測量氟化銀晶體中的7Li核以及鉀釩中 的1H核對電磁波的共振吸收，1942年他又嘗試用反常色散現(xiàn)象來研究核磁共振， 測量對象是

5、固態(tài)氯化鋰中的7Li和固態(tài)氟化鉀中的19F，結(jié)果都失敗了。后來哥特 著文回憶這兩次失敗的原因，他認(rèn)為這兩次實驗的失敗并不是由于物理思想和實 驗方法有問題，而是因為所選的樣品太純，弛豫時間過長。哥特的實驗雖然沒有成功，但他的物理思想和實驗方法卻對別人很有啟發(fā)， 拉比和他的學(xué)生首先受益。第二次世界大戰(zhàn)后，珀塞爾和布洛赫終于發(fā)現(xiàn)了大塊 物質(zhì)對電磁波吸收或色散的核磁共振信號。珀塞爾1912年8月30日出生于美國依利諾斯州的泰勒威里(Taylorville)，1929年進入普渡大學(xué)，1933年從電機工程系畢業(yè)，后來興趣轉(zhuǎn)向物理。這要歸 功于他的一位老師，讓他在大學(xué)生時期就參與電子衍射的實驗研究。1938

6、年珀 塞爾在哈佛大學(xué)取得博士學(xué)位。1940年，他到麻省理工學(xué)院輻射實驗室工作， 這個實驗室的宗旨是軍事研究和研制微波雷達(dá)。他后來成了基本發(fā)展組的組長， 這個組的任務(wù)是探索新頻帶和發(fā)展新微波技術(shù)。他在這段時間的工作經(jīng)驗和跟許 多物理學(xué)家的交往，對他后來發(fā)現(xiàn)核磁共振有重要價值。在這些物理學(xué)家中就有 拉比教授。1945年夏，珀塞爾、托雷(H.C.Torrey)和龐德(R.v.Pound)等組成 一個小組，利用哈佛大學(xué)10年前研究宇宙射線的工作中所留下的一臺磁鐵，親 自修復(fù)改裝，以用于核磁共振的研究。在靜磁場中核磁矩的能量處于量子化能級，即能量決定于核回旋比和磁量子 數(shù)。在熱平衡狀態(tài)下，粒子按玻爾茲曼

7、定律分布，低能級的粒子數(shù)目多于高能級。 若粒子在滿足共振條件的射頻電磁場作用下，則處于低能級的粒子吸收射頻場能 量而躍遷到高能級；處于高能級的粒子又可把能量交給晶格而回到低能級來。如 果樣品的弛豫時間不太長足以建立新的平衡，保持低能級粒子數(shù)多于高能級的， 便可觀察到持續(xù)的核磁共振信號。珀塞爾把這樣的實驗稱為“核磁共振吸收”。由于核磁共振信號是微弱的，在室溫和零點幾特斯拉(T)的磁場作用下， 熱平衡時兩能級的粒子數(shù)之差與總粒子數(shù)之比，只達(dá)百萬分之一的數(shù)量級。為了 提高觀測的靈敏度，珀塞爾等人采用了橋式電路(圖52 - 1 )。射頻信號由發(fā)生器送到兩個諧振回路的輸入端，其中一個諧振回路的線圈環(huán) 繞

8、著樣品置于靜磁場中，另一諧振回路則在磁場之外，它們分別為橋路的兩臂。 當(dāng)發(fā)生共振時，樣品吸收射頻場能量使該諧振回路的阻抗變化，橋路便失去平衡， 從而有相應(yīng)的信號送到接收系統(tǒng)。根據(jù)不平衡的幅值（或相位），便可得到吸收 （或發(fā)射）信號。珀塞爾等人在諧振腔內(nèi)填充石蠟作為樣品，觀測到的共振信號經(jīng)放大和檢波 系統(tǒng)，然后用微安計顯示。圖52-1珀塞爾等人的共振吸收電路1945年12月24日，帕塞爾、托雷和龐德聯(lián)名寫給物理評論編輯部題 為“固體中核磁矩共振吸收”的一封信中，首次報告了在凝聚態(tài)物質(zhì)中觀察到的核 磁共振現(xiàn)象。被觀測的物質(zhì)是置于強度為0.71T磁場中的大約500g石蠟，線圈 調(diào)諧到30MHz，對磁場的掃描功率保持在10W 11W，在位于29.8MHz處記錄 到線寬為40 000Hz的核磁共振吸收譜線。珀塞爾在他的首次核磁共振實驗中，十分注意吸收的飽和問題。由于飽和因 子與弛豫有關(guān)，因此對弛豫機制的研究就成為他們的重要任務(wù)。博士生布隆姆貝 根（N.Bloembergen ）