1944年诺贝尔物理学奖.doc

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1、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

2、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

3、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

4、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。

5、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（relaxationp

6、rocess）。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

7、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