1952 年诺贝尔物理学奖——核磁共振

 
布洛赫像
珀塞尔像
 

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。

核磁共振的发现

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 ~ 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 世纪 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,创立了分子束磁共振法。拉比和他的学生从哥特的物理思想和实验方法得到很多启发。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 1940 年在麻省理工学院辐射实验室参加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他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。

图 52 – 1 珀塞尔在做实验
图 52 – 2 珀塞尔使用过的核磁共振池

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,粒子按玻耳兹曼定律分布,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,在室温和几千 Gs 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,如图 52 – 3 所示。

图 52 – 3 珀塞尔等人的共振吸收电路

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。

1945 年 12 月 24 日,珀塞尔、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 0.71 T 磁场中的大约 500 g 石蜡,线圈调谐到 30 MHz,对磁场的扫描功率保持在 10−11 W,在位于 29.8 MHz 处记录到线宽为 40 000 Hz 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)在这个小组里做出了非凡的工作,对弛豫过程进行了出色的研究。布洛姆伯根在 1981 年因非线性光学方面的贡献也得到了诺贝尔物理学奖。

就在珀塞尔等人发表题为《固体中核磁矩的共振吸收》的论文一个月之后,布洛赫也在《物理评论》杂志上发表了《核感应》的论文,报道了斯坦福小组观测到的水中的核磁共振信号。两个小组对核磁共振现象的发现完全是独立的,方法也不尽相同。

布洛赫 1934 年到斯坦福大学任教后,对斯特恩 1933 年的实验结果发生了兴趣,想为中子磁矩的存在寻找直接证明。1936 年布洛赫指出,这样的证明可以通过观测慢中子在铁中的散射来达到。1939 年,阿尔瓦雷斯和布洛赫用伯克利加州大学的回旋加速器直接求得中子的磁矩,但测量的精度不过约为百分之一,主要原因是磁场测量的精度不够。为了检验氘核磁矩跟中子与质子磁矩叠加的偏差,有必要把测量中子磁矩的精确度提高到千分之几。问题的关键在于找到一种精确测量磁场的方法。

布洛赫在第二次世界大战期间曾在哈佛大学的无线电研究室从事雷达工作,使他熟悉了现代电子技术的发展。这时他联想到过去测量中子磁矩所存在的问题,产生了新的物理思想。他打算通过射频接收的一般方法来检测核磁矩的重新取向,进而可解决磁场定标问题。他进行了大量的理论计算工作。直到 1945 年春天,他在去芝加哥的火车上,还在信封后面进行计算。

他确信在 1 cm3 的水中,质子在几千 Gs 的磁场中共振时,将会在围绕的线圈上感应出超过接收机噪声的射频电压,信噪比不小于 3。因此,他决定在战争结束后,回到斯坦福大学搞这个实验。他找到以速调管闻名的汉森(W.W.Hansen)来负责电子技术。1945 年秋,布洛赫和汉森以及一位研究生叫柏卡德(M.Packard)的,组成三人小组,柏卡德协助汉森管发射和接收,布洛赫管直流磁场。当时他们没有大磁铁,只能借到一台示教用的磁铁进行改装。在这个装置的磁铁两极之间,有两个轴线相互垂直的线圈。一个是发射线圈,与射频源相连;另一个是接收线圈,与接收系统相连,两线圈的轴线均与主磁场垂直。布洛赫认为,核磁共振的基本事实在于核磁矩取向的改变。当核磁矩在射频场作用下转向时,宏观磁化矢量随之改变。按照电磁感应定律,这时在接收线圈上便产生一感应电动势。“核感应”这个术语就是由此而来。考虑到射频场比探测的信号强得多,所以发射线圈和接收线圈之间的耦合必须相当微弱,因此把它们安排成互相垂直的位置。在共振条件下,射频场使核磁矩转向,并弱耦合到接收线圈作为载波。发射线圈的端部还安装两块半圆形导电片,以调节漏感的幅值和相位,从而可检测到吸收信号或发射信号。

布洛赫决定用水作样品。在样品中加了可溶于水的铁硝酸盐,这样可以缩短弛豫时间。他们的电路原理图如图 52 – 4 所示。

图 52 – 4 布洛赫等人的核感应电路

经过几个月的准备,试验开始了。他们把事前处理过的水样品放入装置内,然后接通所有的开关。当射频机构已经工作时,布洛赫逐步调节磁铁的励磁电流到预期值,汉森和柏卡德在几码远处盯着示波器,但他们在噪声起伏上面没有看到任何信号。这时,汉森想去调整一下放大器,并要布洛赫关掉电源。正当布洛赫打开开关时,柏卡德注意到荧光屏上闪过了一些花纹。布洛赫立刻判断出这就是大家要找的东西。经过反复核实,认定这就是共振信号。

布洛赫等人在第一次观察到核感应信号的成功实验中,射频频率为 7.76 MHz,相应的磁场强度为 1 826 Gs。他们的仪器设备是极其简陋的,整个实验才花了 275 美元,包括买一台普通示波器所用的 250 美元在内。他们就在这样的条件下取得了有历史意义的辉煌成果。

对于在构造几乎相同的装置上观测到的同样的核磁共振信号,珀塞尔和布洛赫却持有不同的理论解释:珀塞尔根据半经典的量子力学,用能量子吸收的观点来看待核磁共振的吸收信号,而布洛赫则用经典的磁化矢量进动模型,用感应电流与检测线圈同相位来解释核磁矩的共振吸收。

相对于珀塞尔简明的量子力学吸收理论,布洛赫的磁化矢量感应理论显得较为复杂而更为成熟。布洛赫首次导入了纵向弛豫时间和横向弛豫时间的概念,并将它们唯象地引入到磁化矢量的动力学方程式中,构成了布洛赫方程。布洛赫方程是一组非线性的微分方程,常常遇到求解的困难。然而,布洛赫方程对自旋系统给予了十分直观的描述。对布洛赫方程进行各种简化或修饰,可以获取各种有用的动力学信息。

获奖者简历

布洛赫  1905 年 10 月 23 日出生于瑞士的苏黎世,上完中学后,他本来想当一名工程师,于是就直接进入苏黎世的联邦工业大学。一年后,决定转学物理,通过薛定谔、德拜等教授的课程,他逐渐熟悉了量子力学。后来他到德国莱比锡大学跟海森伯继续研究,并于 1928 年获得博士学位。以晶体中电子的量子力学和金属导电理论方面的内容做论文。1933 年去美国,从 1934 年起在斯坦福大学任教,1939 年加入了美国籍。布洛赫在1954 年曾担任过欧洲核子研究中心(CERN)的第一任主任,回到斯坦福大学后,曾经研究过超导电性和低温下的其他现象。1983 年 9 月 10 日布洛赫逝世于慕尼黑。

布洛赫是一位在近代物理理论和实验都作出过巨大贡献的物理学家。他早年的博士论文《金属的传导理论》就是一项很有价值的科学文献,提供了金属和绝缘体结构的近代图像,是半导体研究的理论基础。他的名字在固体物理学中多次被提到,例如,所谓的布洛赫方程、布洛赫波函数、布洛赫自旋波、布洛赫壁,以及铁磁物质磁化时的布洛赫效应、自发磁化的布洛赫 T3/2 定律等都是出自他的创建。

图 52 – 5 布洛赫在做实验
图 52 – 6 1955 年 6 月 10 日布洛赫为 CERN 实验室莫定基石

珀塞尔  1912 年 8 月 30 日出生于美国伊利诺伊州的泰勒威里(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。1938 年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,这就为 1945 年成功地进行核磁共振研究作了准备。珀塞尔在 1948 年引入自旋温度的概念,1951 年发现中性星际原子氢辐射。他担任过美国物理科学教学研究会的规划制订委员会成员,并编写过一本电磁学教材,在国际上有很大影响。他曾任美国总统科学顾问、美国空军顾问委员会成员。1970 年被选为美国物理学会理事长,1997 年 3 月 7 日在美国坎伯利基逝世。

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发布时间:2023/9/9 11:57:28  阅读次数:265

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