1952年诺贝尔物理学奖核磁共振.docVIP

1952年诺贝尔物理学奖——核磁共振 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，1912—1997），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α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