История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Магнитный резонанс

Первые успешные эксперименты РїРѕ обнаружению магнитного резонанса РІ веществе Р·Р° счет электромагнитных эффектов были выполнены независимо Р¤. Блохом РІ Стэнфорде, Р•. Рњ. Парселлом РІ Гарварде (РЎРЁРђ) Рё Р•. Рљ. Завойским РІ РЎРЎРЎР . Р’ этих экспериментах наблюдалась переориентация магнитных моментов ядер или электронов РІ твердых телах РїСЂРё взаимодействии СЃ электромагнитной волной. Рта методика получила название магнитного резонанса.

Чтобы наблюдать этот эффект нужны два магнитных поля: одно постоянное поле для получения энергетических состояний, а другое осциллирующее поле, которое наводит переходы между этими состояниями. Таким образом, происходит поглощение

или испускание излучения, которое РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚ изменение распределения энергии РїРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏРј. Рто явление, РІ некотором смысле, аналогично переходам электронов между РёС… орбитами, РІ результате которых получаются спектры РІ РІРёРґРёРјРѕР№, инфракрасной Рё ультрафиолетовой областях спектра, наблюдаемых РІ атомах. РќРѕ РѕРЅРѕ значительно сложнее. Р’ случае спектров атомов СѓСЂРѕРІРЅРё, между которыми РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ переходы, уже существуют, поскольку это энергетические СѓСЂРѕРІРЅСЏ электронов РІ атоме. Р’ магнитном случае нужно сначала образовать энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЃ помощью некоторого внешнего поля, Р° СѓР¶ затем можно изучать переходы.

Блох и Парселл получили за свои исследования Нобелевскую премию в 1952 г. Они пришли к магнитному резонансу двумя разными путями, которые, однако, были, по существу, сходными. Завойский был первым, кто наблюдал переходы между уровнями тонкой структуры основного состояния в парамагнитных солях (парамагнитный электронный резонанс).

Феликс Блох родился РІ Цюрихе, 3 октября 1905 Рі. РћРЅ поступил РІ Федеральный институт технологии (учебное заведение, РІ котором учился Рйнштейн) РІ 1924 Рі. После РѕРґРЅРѕРіРѕ РіРѕРґР° обучения РЅР° инженера РѕРЅ решил вместо этого изучать физику Рё перевелся РЅР° отделение физики Рё математики того же института. Р’ течение последующих лет РѕРЅ занимался РїРѕРґ руководством профессоров: Рџ. Дебая (18841966), Р“. Вейля (18851955) Рё Р. Шрёдингера. Первоначально интересовался теоретической физикой. После того, как Шрёдингер оставил Цюрих осенью 1927 Рі., РѕРЅ продолжил СЃРІРѕРё занятия СЃ Р’. Гейзенбергом РІ университете Лейпцига, РіРґРµ летом 1928 Рі. получил докторскую степень. Его диссертация была посвящена квантовой механике электронов РІ кристаллах Рё теории проводимости РІ металлах, РІ которой РѕРЅ установил теоретическую РѕСЃРЅРѕРІСѓ для современного рассмотрения электронов РІ твердых телах РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ Р·РѕРЅРЅРѕР№ теории. Впоследствии РѕРЅ работал СЃ Паули, Крамерсом, Гейзенбергом, Бором Рё Ферми.

Блох РїРѕРєРёРЅСѓР» Германию РІ 1933 Рі. после РїСЂРёС…РѕРґР° Гитлера Рє власти. Годом позже РѕРЅ получил позицию РІ Стэнфордском университете (Калифорния, РЎРЁРђ). Там РѕРЅ начал экспериментальные исследования, которые РїСЂРѕРІРѕРґРёР» вплоть РґРѕ своей отставки РІ 1971 Рі. Р’ 1936 Рі. РѕРЅ опубликовал работу, РІ которой показал, что магнитный момент свободных нейтронов можно измерить путем наблюдения рассеяния РёС… РЅР° железе. Р’ течение РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ был привлечен РЅР° ранних стадиях работы РІ атомном проекте РІ Стэнфордском университете Рё РІ Лос-Аламосе, Р° позднее участвовал РІ работах РїРѕ противодействию радарам РІ Гарвардском университете. Благодаря этой последней работе РѕРЅ познакомился СЃ самыми современными достижениями РІ электронике. Рто, РІ сочетании СЃ его ранней работой РїРѕ магнитному моменту нейтрона, позволило ему предложить новый РїРѕРґС…РѕРґ Рє исследованию ядерных моментов РІ твердых телах. Немедленно после возвращения РІ Стэнфорд РѕРЅ начал изучать ядерную индукцию, как позднее назвал ее.

Блох также занимал важные научные посты. В 1954 г. он стал первым директором ЦЕРНа в Женеве. Он скончался в Цюрихе 10 сентября 1983 г.

Рдвард Миле Парселл родился РІ штате Рллинойс (РЎРЁРђ) 30 августа 1912 Рі. Р’ 1929 Рі. РѕРЅ поступил РІ университет РџСѓСЂРґСѓ штата Рндиана, который закончил РІ 1933 Рі. РїРѕ специальности радиоинженера. Его интересы уже обратились Рє физике Рё выдающийся профессор Ларк-Горовиц, которому РІРѕ РјРЅРѕРіРѕРј обязана физика твердого тела РІ РЎРЁРђ, позволил ему принимать участия РІ экспериментальных исследованиях РїРѕ дифракции электронов. После РіРѕРґР°, проведенного РІ Германии РІ Высшей технической школе РІ Карлсруе, РіРґРµ РѕРЅ занимался РїРѕРґ руководством профессора Р’. Вейзеля, поступил РІ Гарвардский университет, РіРґРµ Рё получил докторскую степень.

После работы в течение двух лет преподавателем физики в Гарварде поступил в Лабораторию излучения в MIT, которая была организована для проведения военных исследований и разработок микроволновых радаров. В этой лаборатории он стал руководителем Группы фундаментальных исследований, которая занималась освоением новых диапазонов частот и разработкой новых микроволновых устройств. Открытие ядерного резонансного поглощения, как он его назвал, было сделано сразу же после окончания войны и примерно в то время, когда Парселл возвратился в Гарвард на должность доцента физики. Он стал профессором физики в 1949 г. и скончался в 1997 г.

Евгений Константинович Завойский родился в Казани в семье врача. Учился и работал в Казанском университете. Почти со своих студенческих лет он интересовался возможностью использовать радиочастотные электромагнитные поля для изучения строения и свойств вещества. С начала 1933 г. выполнял исследовательские эксперименты по резонансному поглощению радиочастотного излучения в жидкостях и газах. В 1941 г. он стал первым, кто использовал модуляцию постоянного магнитного поля на звуковых частотах в таких экспериментах. В 1944 г. им открыт электронный парамагнитный резонанс, что и стало предметом его докторской диссертации.

Р’ течение 19451947 РіРі. РѕРЅ выполнил серию важных экспериментов, зарегистрировав кривые дисперсии РІ диапазоне резонанса Рё получив электронный парамагнитный резонанс РІ солях марганца. Р’ дальнейшем более 20 лет работал РІ Курчатовском Рнституте Атомной Рнергии.

Завойский внес вклад в различные области ядерной физики, разработав, в частности, в 1952 г. сцинциляторную трековую камеру^[4]. В области физики плазмы он открыл в 1958 г. магнито-акустический резонанс. Награжден Ленинской и Государственной премиями. Его достижения стали известными на Западе лишь после окончания Второй мировой войны. Е. К. Завойский скончался в 1976 г.

Сообщения о первых экспериментах по магнитному резонансу были сделаны Блохом и Парселлом в течение одного месяца и независимо друг от друга. В январском выпуске 1946 г. престижного американского журнала Physical Review, Парселл, Торрей и Паунд (г. р. 1919) сообщили в коротком письме редактору (полученному 24 декабря 1945 г.), что они наблюдали поглощение радиочастотной энергии в твердом материале (парафин) в результате переходов, индуцированных между энергетическими уровнями, которые соответствуют различным ориентациям спина протона в постоянном магнитном поле.

В эксперименте образец парафина помещался в резонатор, который, в свою очередь, располагался между полюсами постоянного магнита. Радиочастотная волна с крайне низким уровнем ее магнитного поля, направленного перпендикулярно постоянному полю, посылалась в этот резонатор, и измерялась ее интенсивность на выходе из резонатора. Когда сильное магнитное поле медленно изменялось, наблюдался резкий резонанс поглощения (рис. 37). Поскольку протон имеет спин 1/2, можно предполагать, что при помещении его в постоянное магнитное поле, он может занять только два положения: либо его спин параллелен полю, либо его спин антипараллелен полю. Разность энергий между этими двумя энергетическими уровнями, которые соответствуют этим двум позициям, при той напряженности магнитного поля, которая была в эксперименте, соответствовала частоте 29,8 МГц. На этой частоте и поглощалась микроволновое излучение (см. рис. 37). При комнатной температуре (при которой и выполнялся эксперимент) разность между числом протонов, выстроенных вдоль магнитного поля и выстроенных против него, крайне мала. Однако полное число протонов было столь велико, что заметный эффект получался как только достигалось термическое равновесие. Ключевым вопросом было время, требуемое для установления термического равновесия между спинами и решеткой. Разность в населенностях этих двух уровней является непременным условием для наблюдения поглощения.