1944年诺贝尔物理学奖.doc 4页

1944年諾貝爾物理學獎1944年諾貝爾物理學獎¾¾原子核的磁特性1944年諾貝爾物理獎授予美國紐約州紐約市哥倫比亞大學的拉比(IsidorIsaacRabi，1898―1988)，以表彰他用共振方法記錄了原子核的磁特性。拉比的最大功績是發展了斯特恩的分子束方法，並用之於磁共振。分子束磁共振在研究原子和原子核特性方面有獨特的功能，後來形成了一系列物理學分支。他是斯特恩的學生，曾在1927年到漢堡斯特恩的實驗室裏學習。他深深地被分子束和原子束的實驗方法所吸引，這種方法是斯特恩開創的，斯特恩和蓋拉赫在1922年用這種方法發現了空間量子化，得到了廣泛贊譽。拉比在那裏工作了一年，做了很多實驗，用分子束和原子束方法研究分子和原子現象。拉比在歐洲各地學習了兩年，除了斯特恩以外，還向許多著名科學家求教，其中有索末菲、波耳、鮑利和海森堡。他採用一種使原子束（分子束）偏轉的新方法，使原子磁矩的測量達到更高的精確度。當他1929年返回美國後，他用這種方法研究原子能階的超精細結構。他和他的學生科恩(V.Cohen)用一複雜的偏轉系統，利用在弱磁場中鈉原子束的選取部分偏轉，演示了鈉實際上有四個超精細子能階，由此確定了鈉原子核的自旋為2p/h的3/2倍。這些方法後來進一步發展為零磁矩方法，零磁矩方法就是取磁場的某一定值使原子的總矩等於零，因此當原子束通過非均勻磁場時處於這種狀態的原子不會被偏轉。這一方法既可以測量自旋，也可以測量超精細結構常數，由此即可計算出核磁矩來。核磁矩的研究在原子核物理學中佔有非常重要的地位。它是描述原子核的電磁特性和內部結構不可少的基本概念。自從1911年拉塞福根據α粒子大角度散射實驗提出原子中有核以來，人們就認識到原子核具有內部結構，可以看成是一個電性的力學系統。鮑利為解釋原子光譜的超精細結構，1924年提出核自旋的概念，並把超精細結構看成是核自旋與外電子軌道運動相互作用的結果，從原子光譜的超精細結構可以推算原子核的自旋角動量和磁矩，但是不夠精確。根據狄拉克理論，可以預言原子核的磁矩。他是這樣分析的：既然中子不帶電，中子的磁矩應為零；而電子與質子電荷絕對值相等，電子磁矩等於波耳磁元（Bohrmagneton），質子磁矩也就可能等於核磁元（nuclearmagneton）(其中m和M分別為電子和質子的質量)第144頁 1944年諾貝爾物理學獎。可是，斯特恩用實驗作了否定的回答。這是斯特恩對核磁矩的研究作出的重大貢獻。1926年，斯特恩提出可用分子束實驗測定核磁矩。1933年，他與弗利胥、愛斯特曼(I.Estermann)等用分子束實驗裝置測量了氫核（質子）和氘核的磁矩。結果表明：質子磁矩比狄拉克理論預言的大2.5倍左右，而氘核磁矩則介乎0.5到1個核磁元之間。由於氘核是由質子和中子組成，從而顯示了中子磁矩的存在。斯特恩第一次直接地測定了質子的磁矩，但他的結果還嫌不夠精確，誤差約為10%，他的實驗方法也有待於完善。接著對核磁矩進行精確測量的是拉比。拉比受到荷蘭物理學家哥特(C.J.Gorter)的啟發，於1938年把射頻共振（radiofrequencyresonance）法應用於分子束技術，創立了分子束共振法。這裏先對哥特的工作作一點介紹。哥特是一位出色的物理學家，其主要研究領域是磁性和超導。1936年他進行過一個原子核磁共振吸收實驗，為的是他想通過這個實驗觀測核磁矩對電磁波的吸收，從而研究鬆弛過程（relaxationprocess）。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，但是沒有取得成功。實驗的失敗並不是由於物理思想不正確，也不是儀器靈敏度不夠，主要是由於所選的樣品太純，鬆弛時間（relaxationtime）過長的緣故。拉比從哥特的實驗得到重要啟示，創立了分子束磁共振方法。拉比利用共振現象促使超精細結構之間、塞曼能階之間或能階組合之間產生躍遷。這一方法實質上就是在試品上加一射頻（radiofrequency）以引起能階之間的躍遷，或者是通過吸收，或者是通過受激輻射，從而測量其超精細結構。原子束或分子束需通過一均勻磁場，並且有一弱振盪磁場垂直於均勻靜磁場的方向上。當振盪場的頻率達到由波耳條件的躍遷頻率時，就會引起從能階1到能階2的躍遷，反之亦然。分子束共振法的實驗原理如圖44－l所示。由爐子蒸發產生分子束（或原子束），分子束（或原子束）從左邊狹縫O發出，在D處安放一探測器，磁鐵A和B產生不均勻磁場使分子束偏轉。因A和B的磁場梯度方向相反，故核磁矩為m的粒子在這兩個區中受到相反方向的作用力。假如粒子在兩區通過時核磁矩的空間取向不改變，則可選取磁鐵B的磁場的數值使它產生的偏轉補償磁鐵A的磁場的偏轉，分子束可進入探測器內，現在，在磁鐵A與B之間設定第三個磁鐵C，產生均勻的恆定磁場H0，則這個區域不會改變分子束原來的軌道。但如果在磁鐵C兩極之間再設定一個垂直於H0的射頻場H1，當H1的頻率等於磁矩m在H0中的拉摩進動頻率或（其中I為核自旋量子數，g為核的朗德因子）時就會產生共振現象，H1第144頁 1944年諾貝爾物理學獎使核磁矩的取向改變，分子束便偏離原來的軌道而不能到達探測器(如虛線所示)。只要精確測定共振時的頻率和磁場，就可以從上式求得核磁矩m或核的g因子(由關係式m＝gImN，當g值確定時則m值也確定)。當時測量頻率已達到很高的精確度，是用外差式頻率計測量，誤差不超過0.03%；測量磁場的誤差不超過0.5%，所以核磁矩的精確度可達千分之幾，比斯特恩等人的結果提高了兩個數量級。這一成果初步顯示了分子束磁共振方法的優越性。圖44－1分子束共振實驗示意圖分子束磁共振方法後來推廣並取得了廣泛的應用，例如在原子鐘、核磁共振以至於微波激射【或稱邁射（maser）】器和雷射（laser）器中，都用到了這種方法。運用這些方法所導致的最有意義的發現是電子的反常磁矩(anomalousmagneticmoment)、氘核的四極矩以及與真空極化(vacuumpolarization)有關的藍姆位移。為了表彰斯特恩和拉比的科學功績，他們兩人先後於1943年和1944年分別獲得了諾貝爾物理學獎。拉比1898年7月29日出生於奧地利的萊曼諾夫(Raymanov)，次年隨父母到了美國，早期就學於紐約市，1919年在紐約的康乃爾大學獲化學學士學位。後來他從事過三年非科學的職業，於1922年開始在康乃爾大學當物理專業的研究生，後轉到哥倫比亞大學繼續當研究生。1927年在哥倫比亞大學以“晶體的主磁導率”獲博士學位。從此拉比就長期工作於直接或間接與磁場有關的領域。在其博士論文中，他發明了一種新穎而簡單的方法，用以確定單晶的感應橢球，由此可以得到極高的精確度。這一方法後來成了磁化學的基礎。印度的克利希南(Krishnan)和他的學派在這方面開展了一系列的研究。1927年起拉比獲哥倫比亞大學巴納德(Barnard)獎學金，到漢堡斯特恩實驗室工作。拉比1929年返回美國後，被任命為哥倫比亞大學的理論物理學講師，1937年經過幾次提升成為教授。1940年，拉比借學術休假到麻薩諸塞州坎伯利基的麻省理工學院，當了該校輻射實驗室的副主任，這個實驗室的任務是研制雷達和原子彈。從1940年到1945年，拉比參與軍事研究，他主要從事微波雷達研究。這項工作自然是先前分子束實驗研究的繼續。在戰後年代裏，拉比從事政治和教育諸方面的研究，特別是參與了研製原子武器和其它大規模破壞手段。他在1946年至1956年期間是原子能委員會的總顧問委員會成員，並當了四年該委員會的主席。有一段時間還當過美國總統科學顧問委員會主席。他作為聯合國教科文組織，積極發起國際間合作以進行大規模高能物理實驗室的建設，例如歐洲核子研究中心(CERN)第144頁 1944年諾貝爾物理學獎的建立。他還是長島的布魯克海文原子能研究國家實驗室的奠基人之一。他在那裏參加了和平利用原子能的研究。拉比於1945年戰爭快結束時在哥倫比亞大學當物理系主任，並運用他的影響使該系在高能物理的新領域和微波技術運用科學和實際目的方面處於領先地位。1964年拉比在哥倫比亞大學成為第一位全校性教授。1988年1月11日他在紐約逝世，享年90歲。第144頁