歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1961

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撰文者:爾諾
發文日期:2021-11-22
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  • 1961年的諾貝爾物理獎頒給兩位與原子核研究相關的物理學家。一位是美國的羅伯特·霍夫施塔特(Robert Hofstadter,1915-1990)得獎理由是「其對原子核中的電子散射現象的開創性研究以及隨之而來的對核子結構的發現」。另一位是德國的魯道夫·梅思堡(Rudolf Mössbauer,1929-2011),則是以「他的有關γ射線共振吸收現象的研究以及與這個以他命名的效應(梅思堡效應)相關的研究發現」而得獎。



     
    Robert_Hofstadter
    羅伯特·霍夫施塔特
    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1961/hofstadter-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6149593


    Mossbauer

     
    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1961/mossbauer-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6148339

     
    雖然早在三零年代,斯特恩測量質子的磁偶矩,發現質子並不遵守狄拉克方程式,而推測質子內部有特定的結構。然而首次具體測量到質子內部的電荷分布,還是要等到霍夫施塔特一系列的電子束碰撞實驗。霍夫斯塔特1915年2月5日出生於紐約。父親路易斯是一位推銷員。他在紐約接受小學和中學教育之後進入紐約市立學院,並在1935年他20歲時以極優等的成績獲得理學學士學位。之後接受來自奇異公司所屬Charles A. Coffin基金的獎學金資助,來到普林斯頓大學就讀,獲得碩士和博士學位。霍夫斯塔特在普林斯頓大學攻讀博士學位期間開發出了以鹼金屬鹵化物為材料製作的閃爍計數器,利用少量鉈或鈉雜質激活後的NaI和CsI來檢測X射線。1938年博士畢業後前往賓夕法尼亞大學進行博士後研究。在第二次世界大戰期間以物理學家的身份幫助美國國家標準局開發了近炸引信和防空武器。他於1950年加入史丹福大學。


    1953 年之後,電子散射測量成為霍夫施塔特的主要研究興趣。之前讓電子與原子核產生彈性碰撞都無法得到原子核內部的資訊,因為產生的散射截面與電子和點電核產生庫倫散射一致。但是隨著偵測技術的進步以及電子能量的提高,科學家終於查覺到電子-原子核彈性碰撞散射截面與庫倫散射截面的差異,由此可以反推原子核的電核分布。霍夫施塔特與學生和同事一起投入原子核中的電荷分佈的研究,得到質子和氘中的電荷和磁矩分佈。而氘的實驗結果也提供了中子的電荷和磁矩分佈,第一次證實了中子是外層帶負電,內部帶正電。


    電子原子核彈性散射被用來尋找原子核的尺寸和表面厚度參數。許多關於質子和中子的主要結果都是在 1954-1957 年間獲得的。自 1957 年以來,霍夫施塔特的研究計劃的重點一直放在對核子形狀因子進行更精確的研究上。事實上,到今天,核子形狀因子依然是核子結構裡的大問題。1956年在他撰寫並發表在現代物理評論的論文中創造出了一個新的長度單位費米(單位符號fm)以紀念核物理學的奠基人之一義大利物理學家恩里科·費米,後來這個詞被核物理學家和粒子物理學家廣泛使用。


    霍夫施塔特在1985年退休,五年後過世。美國哥倫比亞廣播公司播出的電視情景喜劇《生活大爆炸(The Big Bang Theory)》中的角色倫納德·霍夫斯塔特劇說就是以他為原型。


    另一位得獎者魯道夫·梅思堡於1929年1月31日出生在德國慕尼黑,1948年中學畢業,工作一年後,開始在慕尼黑工業大學學習物理學,在應用物理學實驗室完成論文並於1955年獲得學位。他繼續攻讀博士學位期間,他在海德堡的馬克斯·普朗克協會醫學研究所工作,1958年他從慕尼黑工業大學獲得博士學位。同年,他在海德堡的馬克斯·普朗克研究所用實驗直接證明了「梅思堡效應」的存在。 1959年梅思堡在慕尼黑工業大學工作,後來接受理察·費恩曼的邀請於1960年前往美國加州理工學院,繼續他對伽馬射線吸收的研究,並在1962年成為加州理工學院的教授。


    什麼是梅思堡效應? 理論上,當一個原子核由激發態躍遷到基態,發出一個γ射線光子。當這個光子遇到另一個同樣的原子核時,就能夠被共振吸收。但是實際情況中,處於自由狀態的原子核要實現上述過程是困難的。因為原子核在放出一個光子的時候,自身也具有了一個反衝動量,這個反衝動量會使光子的能量減少。同樣原理,吸收光子的原子核光子由於反衝效應,吸收的光子能量會有所增大。這樣造成相同原子核的發射譜和吸收譜有一定差異,所以自由的原子核很難實現共振吸收。



    1957年底,梅思堡靈光一現,他提出實現γ射線共振吸收的關鍵在於消除反衝效應。如果在實驗中把發射和吸收光子的原子核置於固體晶格中,那麼出現反衝效應的就不再是單一的原子核,而是整個晶體。由於晶體的質量遠遠大於單一的原子核的質量,反衝能量就能減少到可忽略的程度,這樣就可以實現γ射線共振吸收了。實驗中原子核在發射或吸收光子時無反衝的機率叫做無反衝分數f,無反衝分數與光子能量、晶格的性質以及環境的溫度有關。


    梅斯堡使用191Os(鋨)晶體作γ射線放射源,用191Ir(銥)晶體作吸收體,他於1958年首次在實驗上實現了原子核的無反衝共振吸收。為減少熱運動對結果的影響,放射源和吸收源都冷卻到88K。放射源安裝在一個轉盤上,可以相對吸收體作前後運動,用都卜勒效應調節γ射線的能量。191Os經過β-衰變成為191Ir的激發態,191Ir的激發態可以發出能量為129 keV的γ射線,被吸收體吸收。實驗發現,當轉盤不動,即相對速度為0時共振吸收最強,並且吸收譜線的寬度很窄,每秒幾厘米的速度就足以破壞共振。除了191Ir外,梅思堡還觀察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的無反衝共振吸收。


    梅思堡效應是一種非常精確的測量手段,其能量解析度可高達10-13,可以研究原子核與周圍環境的超精細交互作用,並且抗干擾能力強、實驗設備和技術相對簡單、對樣品無破壞。由於這些特點,梅思堡效應一經發現,就迅速在物理學、化學、生物學、地質學、冶金學、礦物學、地質學等領域得到廣泛應用。


    梅斯堡譜的寬度非常窄,因此具有極高的能量分辨本領。例如57Fe的 14.4 keV 躍遷,梅斯堡譜寬度與γ射線的能量之比ΔE/E~10-13,67Zn的 93.3 keV 躍遷ΔE/E~10-15,107Ag的93 keV 躍遷ΔE/E~10-22。由於梅思堡效應是一種非常精確的測量手段,足以研究原子核與周圍環境的超精細交互作用,並且抗干擾能力強、實驗設備和技術相對簡單、對樣品無破壞。由於這些特點,梅思堡效應一經發現,就迅速在物理學、化學、生物學、地質學、冶金學、礦物學、地質學等領域得到廣泛應用。應用梅斯堡譜研究原子核與核外環境的超精細交互作用的學科叫做梅思堡譜學。


    1965年梅思堡接受巴伐利亞文化教育研究部的邀請,放棄了美國的工作,返回母校慕尼黑工業大學任教授,在那裡,他的科研重心從核子轉向了微中子。1972年前往法國格勒諾布爾擔任勞厄-朗之萬研究所主任。五年後的1977年,他再次回到慕尼黑工業大學,1997年退休。他在瑞士Gösgen完成了微中子振盪實驗,在義大利Gran Sasso地下實驗室完成了太陽微中子實驗(GALLEX實驗,1991年—1997年)。他於2011年在德國病逝,享壽82。
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