歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1944

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-03-04
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    1944年的諾貝爾獎頒給美國物理學家,以西多爾·艾薩克·拉比(Isidor Isaac Rabi),獲獎理由是「使用共振法來記錄原子核的磁性」。大家熟悉的醫療診斷利器:核磁共振成像(MRI),這項技術的基礎正是拉比所開創的核磁共振(NMR)。
     

    拉比在1898年7月29日出生於屬奧匈帝國所屬的加利西亞地區雷馬努夫(今屬波蘭)的一個猶太人家庭。父親在他出生後不久就移居美國。年幼的拉比和他的母親在數月後與父親在美國紐約重逢。他於1916年到康乃爾大學修讀化學,於1919年6月拿到理學士學位,1922年回到康奈爾攻讀化學研究所,並開始學習物理。他在1923年結識了來自紐約的女孩,海倫·紐瑪克(Helen Newmark),拉比為了能接近她而轉往哥倫比亞大學繼續學業。他於1926年7月16日將博士論文《論晶體的主磁化率》寄去期刊《物理評論》(Physical Review),隔天就與海倫結婚。畢業後他在紐約市立學院教書。1927年5月,拉比獲得巴納德研究獎學金,為了到歐洲留學,拉比向紐約市立學院申請了一年的休假,但是被被校方拒絕。他二話不說,馬上辭職!
     

    II_Rabi
    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1944/rabi-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6183671
     

    幾番波折後他到德國漢堡大學,本來想要跟隨理論物理學家包立。但是在漢堡大學,他結識了兩名會說英語的博士後研究員,他們都是斯特恩的實驗室的成員。當時斯特恩的實驗室正在發展分子束,拉比因此開始對分子束實驗產生了興趣。斯特恩的實驗室當時用的是不均勻的磁場,不易取得準確的測量結果。拉比提出在散射角非零的情況下使用均勻磁場,這樣做原子就能像光線通過棱鏡般地偏轉。如此一來,不僅操作起來比較容易,而且測量結果也更加準確。拉比在斯特恩的鼓勵下將他的想法付諸實現。在斯特恩的建議下,拉比還寫了一封關於這項研究結果的信投稿到期刊《自然》,發表於1929年2月期。之後他還寫了一篇題為《論分子束的偏轉法》的論文給《物理期刊》,於同年4月發表。巴納德獎學金到期後,拉比離開漢堡到萊比錫去,拉比希望在那裏能得到海森堡的指導。然而海森堡在1929年3月離開了歐洲前往美國講學,不得已拉比決定前往蘇黎世聯邦理工學院,他仰慕的包立當時正在該校任教。拉比在那裏遇到不少當時物理學的領導人物,包括保羅·狄拉克、法蘭西斯·盧米斯、約翰·馮·諾伊曼、利奧·西拉德和尤金·維格納等人。這讓拉比眼界大開。拉比於1929年3月獲哥倫比亞大學邀請而於8月回到美國。

     

    回到美國安頓後,拉比再度從事分子束實驗的研究。他與格雷戈里·布萊特共同開發出布萊特-拉比方程式,這個方程式給出鹼原子存在任何外部磁場的情況下超細分裂的能階大小。在維克托·科恩(Victor W. Cohen)的幫助下,拉比製作了哥倫比亞大學第一台分子束儀器。拉比的分子束實驗室開始吸引各方人才加入,西德尼·米爾曼(Sidney Millman)是第一個博士生,他研究的主題是鋰。接下來傑羅德·薩卡利亞斯(Jerrold  Zacharias)提議研究最簡單的元素氫。氫的同位素氘在不久前才被同校的尤里(Harold Clayton Urey)發現,尤里因為這個發現而得到1934年的諾貝爾化學獎。尤里為他們的實驗提供重水和氘氣。尤里還把諾貝爾獎金的一半給了拉比,作為分子束實驗室的專款。其他從分子束實驗室出來的科學家還包括諾曼·拉姆齊、朱利安 ·許文格、和波利卡普·庫施。他們後來都得了諾貝爾獎。

     

    拉比的研究團隊在科內利斯(Cornelis Jacobus Gorter)的建議下嘗試使用振盪的磁場來進行實驗,由此發展出核磁共振法的基礎。它的原理是將原子核置於外加磁場中,若原子核的磁矩與外加磁場方向不同,則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉,這個現象稱為拉莫爾進動。拉莫爾進動具有一定的頻率。當外加磁場的頻率與原子核自旋進動的頻率接近時,外加磁場會顯著地被原子核吸收,躍遷到別的能階。因此某種特定的原子核,在給定的外加磁場中,只吸收某一特定頻率外加磁場提供的能量,這樣就形成了一個核磁共振信號。拉比、庫施、米爾曼和薩卡利亞斯在1939年使用了這種方法測量了多種鋰化合物的磁矩。他們接著把這種實驗法應用於氫,並發現質子的磁矩為2.785±0.02核磁子,而氘的磁矩結果則為0.855±0.006核磁子。拉比團隊的實驗結果比之前斯特恩團隊的更為準確。由於氘是由相同自旋方向的一個質子和一個中子組成,所以中子磁矩大約可由氘磁矩減去質子磁矩所得。如此得到的中子磁矩居然是約負的1.92 核磁子!拉比進一步測量造成D2與HD分子在磁場下的共振頻率,發現氘的電四極不為零。這項發現意味著氘的物理形狀非球狀對稱,也表示核子之間的交互作用並非是連心力,而是有著張量形態的作用力。這也表示氘的磁偶矩與質子跟中子的磁偶矩的和其實不完全相等。1940年Walter Alvarez 與Felix Bloch發展出time-of-flight 的技術可以產生thermal 中子束,他們直接測量中子的磁偶矩,得到結果是1.93核磁子。直接將質子與中子磁偶矩相加是0.879核磁子,與氘的磁矩的確有微小的差別,由此我們推知氘是S(L=0)態與D(L=2)態的混合,前者佔約96%,後者佔了約4%。D態的出現是由張量型態的核力所造成的。這些成就讓拉比得到諾貝爾獎。



    拉比在二次大戰中最重要的貢獻是在多腔磁控管。多腔磁控管是一種使用電子流和磁場的交互作用來產生微波的高功率裝置。這個裝置是雷達的核心。戰後在他的帶領下,哥倫比亞大學的物理系成為世界首屈一指的學術重鎮。此外,拉比還活躍於美國國內的科學界,並且熱心推動國際科學合作。他在1988年1月11日因癌症於曼哈頓河邊街的家中逝世。

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