1944年诺贝尔物理学奖

1944年諾貝爾物理學獎1944年諾貝爾物理學獎 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(Isidor Isaac Rabi，18981988)，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（Bohr magneton），質子磁矩也就可能等於核磁元（nuclear magneton）(其中m和M分別為電子和質子的質量)。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（radio frequency resonance）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（relaxation process）。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（relaxation time）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（radio frequency）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44l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mgImN，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441 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(anomalous magnetic moment)、氘核的四極矩以及與真空極化(vacuum polarization)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)的建立。他還