1952年诺贝尔物理学奖

1、1952年诺贝尔物理学奖一磁共振1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的布洛赫(Felix Bloch，1905-1983)和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔(Edward Purcell，19121997)，以表彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的 发现。1945年12月，珀塞尔和他的小组在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收 信号，1946年1月，布洛赫和他的小组在水样品中也观察到质子的核感应信号。 他们两人用的方法稍有不同，几乎同时在凝聚态物质中发现了核磁共振。他们发 展了斯特恩开创的分子束方法和拉比的分子束磁共振方法，精确地测定了核磁 矩。以后许多物理学家进

2、入了这个领域，形成了一门新兴实验技术，几年内便取 得了丰硕的成果。所谓核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃 迁现象。核磁共振的发现，跟核磁矩的研究紧密相关。追根溯源，还要从原子核 的发现说起。1911年，卢瑟福根据a粒子散射实验提出核原子模型后，由于原子核是一 个带电的力学体系，人们就推测原子核具有电磁矩。但当时引入这个概念还缺乏 可靠的实验数据，直到原子光谱的超精细结构发现以后，泡利于1924年才正式 提出，原子光谱的超精细结构是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果；原子 核应具有自旋角动量和磁矩。斯特恩对核磁矩作过重要研究。他创造了分子束方法，后来在1933年和弗

3、 利胥(O.Frisch)、爱斯特曼(I.Estermann)等人用分子束实验装置测量氢分子中 质子和氘核的磁矩。所得结果表明质子磁矩比狄拉克电子理论预言的大2.5倍而 氘核磁矩则在0.5到1个核磁子之间。氘核是由质子和中子组成的，由此即可推 测中子也有磁矩。这说明尽管中子整体不带电，其内部却有电荷分布和电流效应。 这些实验事实，激励了其他人对核的电磁特性的探索。拉比后来对分子束磁共振 方法的研究和布洛赫对核磁共振的研究都是受到了斯特恩的启发。斯特恩开创了 新的方法，结果是令人惊奇的，但是精确度并不很高，难以作出决定性的判断， 这就促使他们致力于改进分子束方法的精确性，以求找到更精确的方法，取

4、得更 可靠的结果。拉比的分子束磁共振方法就是对斯特恩实验的重大改进。改进的关 键在于利用了共振现象。20年代末，拉比访问欧洲时，就在斯特恩的实验室里 工作了一年，研究原子磁矩的测量。1929年，他回到哥伦比亚大学开展原子束 分子束的研究。后来他受到荷兰物理学家哥特(C.J.Gorter)的启发，并于1938 年把哥特射频共振法应用于分子束技术，创立了分子束共振法。首先介绍一下哥特的射频共振法。哥特曾试图直接观测核磁矩体系对电磁波 的吸收但没有成功。1936年他使用量热器测量氟化银晶体中的7Li核以及钾钒中 的1H核对电磁波的共振吸收，1942年他又尝试用反常色散现象来研究核磁共振， 测量对象是

5、固态氯化锂中的7Li和固态氟化钾中的19F，结果都失败了。后来哥特 著文回忆这两次失败的原因，他认为这两次实验的失败并不是由于物理思想和实 验方法有问题，而是因为所选的样品太纯，弛豫时间过长。哥特的实验虽然没有成功，但他的物理思想和实验方法却对别人很有启发， 拉比和他的学生首先受益。第二次世界大战后，珀塞尔和布洛赫终于发现了大块 物质对电磁波吸收或色散的核磁共振信号。珀塞尔1912年8月30日出生于美国依利诺斯州的泰勒威里(Taylorville)，1929年进入普渡大学，1933年从电机工程系毕业，后来兴趣转向物理。这要归 功于他的一位老师，让他在大学生时期就参与电子衍射的实验研究。1938

6、年珀 塞尔在哈佛大学取得博士学位。1940年，他到麻省理工学院辐射实验室工作， 这个实验室的宗旨是军事研究和研制微波雷达。他后来成了基本发展组的组长， 这个组的任务是探索新频带和发展新微波技术。他在这段时间的工作经验和跟许 多物理学家的交往，对他后来发现核磁共振有重要价值。在这些物理学家中就有 拉比教授。1945年夏，珀塞尔、托雷(H.C.Torrey)和庞德(R.v.Pound)等组成 一个小组，利用哈佛大学10年前研究宇宙射线的工作中所留下的一台磁铁，亲 自修复改装，以用于核磁共振的研究。在静磁场中核磁矩的能量处于量子化能级，即能量决定于核回旋比和磁量子 数。在热平衡状态下，粒子按玻尔兹曼

7、定律分布，低能级的粒子数目多于高能级。 若粒子在满足共振条件的射频电磁场作用下，则处于低能级的粒子吸收射频场能 量而跃迁到高能级；处于高能级的粒子又可把能量交给晶格而回到低能级来。如 果样品的弛豫时间不太长足以建立新的平衡，保持低能级粒子数多于高能级的， 便可观察到持续的核磁共振信号。珀塞尔把这样的实验称为“核磁共振吸收”。由于核磁共振信号是微弱的，在室温和零点几特斯拉(T)的磁场作用下， 热平衡时两能级的粒子数之差与总粒子数之比，只达百万分之一的数量级。为了 提高观测的灵敏度，珀塞尔等人采用了桥式电路(图52 - 1 )。射频信号由发生器送到两个谐振回路的输入端，其中一个谐振回路的线圈环 绕

8、着样品置于静磁场中，另一谐振回路则在磁场之外，它们分别为桥路的两臂。 当发生共振时，样品吸收射频场能量使该谐振回路的阻抗变化，桥路便失去平衡， 从而有相应的信号送到接收系统。根据不平衡的幅值（或相位），便可得到吸收 （或发射）信号。珀塞尔等人在谐振腔内填充石蜡作为样品，观测到的共振信号经放大和检波 系统，然后用微安计显示。图52-1珀塞尔等人的共振吸收电路1945年12月24日，帕塞尔、托雷和庞德联名写给物理评论编辑部题 为“固体中核磁矩共振吸收”的一封信中，首次报告了在凝聚态物质中观察到的核 磁共振现象。被观测的物质是置于强度为0.71T磁场中的大约500g石蜡，线圈 调谐到30MHz，对磁场的扫描功率保持在10W 11W，在位于29.8MHz处记录 到线宽为40 000Hz的核磁共振吸收谱线。珀塞尔在他的首次核磁共振实验中，十分注意吸收的饱和问题。由于饱和因 子与弛豫有关，因此对弛豫机制的研究就成为他们的重要任务。博士生布隆姆贝 根（N.Bloembergen ）