История лазера. Научное издание
Шрифт:
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 РІ течение РґРІСѓС… лет преподавателем физики РІ Гарварде поступил РІ Лабораторию излучения РІ MIT, которая была организована для проведения военных исследований Рё разработок микроволновых радаров. Р’ этой лаборатории РѕРЅ стал руководителем Группы фундаментальных исследований, которая занималась освоением новых диапазонов частот Рё разработкой новых микроволновых устройств. Открытие ядерного резонансного поглощения, как РѕРЅ его назвал, было сделано сразу же после окончания РІРѕР№РЅС‹ Рё примерно РІ то время, РєРѕРіРґР° Парселл возвратился РІ Гарвард РЅР° должность доцента физики. РћРЅ стал профессором физики РІ 1949 Рі. Рё скончался РІ 1997 Рі.
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.
Рис. 37. Кривая поглощения протонного резонанса в растворе нитрата железа, полученная методом Парселла
Авторы это очень хорошо понимали и принимали во внимание конкуренцию между процессами поглощения и вынужденного излучения. Действительно, процессы поглощения включают поглощение фотона микроволнового излучения, что заставляет частицу перейти с низшего на высший уровень. Наоборот, процессу вынужденного излучения соответствует испускание фотона, который подобен фотону, индуцирующему этот процесс, и который заставляет частицу перейти с верхнего на нижний уровень. Поэтому, если эти два процесса поглощения излучения и вынужденного излучения происходят в равной степени, то никакого сигнала изменения излучения, проходящего через образец, не получится. По этой причине важно установление термического равновесия, так как при этом нижний энергетический уровень более населен, чем верхний, и, следовательно, процесс поглощения превалирует.
Здесь может помочь статистическая механика. Согласно Больцману, отношение между числом молекул, находящихся на верхнем энергетическом уровне, к числу молекул, находящихся на нижнем, дается экспоненциальной зависимостью. В показателе с отрицательным знаком стоит разность энергий двух состояний, деленная на фактор kT, где k постоянная, веденная Больцманом, а Т абсолютная температура. В нашем случае, разность энергий двух магнитных уровней пропорциональна напряженности приложенного магнитного поля, и, увеличивая поле, можно увеличить эту разность. Однако значения магнитных полей, достигаемых доступной техникой, ограничены. Поэтому разность энергий при комнатной температуре мала и сравнима со значением kT.
Ртот факт означает, что, например, РІ случае РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° Рё разумного значения магнитного поля (7000 Гаусс) отношение населенностей верхнего Рё нижнего уровней составит весьма малую величину. Ртого, тем РЅРµ менее, достаточно, чтобы зарегистрировать сигнал поглощения.
Открытие Парселла можно рассматривать, как естественное следствие попыток, предпринятых в Лаборатории Радиации МIТ для уменьшения длины волны радара до 1,25 см. Получилось так, что эта длина волны попадает в пол осу сильного поглощения водяных паров атмосферы, и это препятствовало работе радара. Парселл уделял большое внимание точным методам измерения полос поглощения и в соответствии с этим назвал свою методику резонансным поглощением ядерного магнитного резонанса.
Р’ следующем выпуске Physical Review, СЃРЅРѕРІР° РІ РІРёРґРµ РїРёСЃСЊРјР° РІ редакцию, появилось короткое сообщение Р¤. Блоха, Р’. Хансена Рё Рњ. Паккарда, полученное 29 января 1946 Рі. Авторы описывали эксперимент РІ определенном отношении подобный эксперименту Парселла, РІ котором РѕРЅРё использовали РІРѕРґСѓ. Р’ РёС… эксперименте РЅР° постоянное магнитное поле, которое прикладывалось РІ РѕРґРЅРѕРј направлении (например, вертикальное), накладывалось малое осциллирующее магнитное поле вдоль горизонтального направления. Магнитные моменты ядер образца, первоначально параллельные постоянному полю, возмущались РІ такой конфигурации малым осциллирующим полем, которое заставляло РёС… прецессировать РІРѕРєСЂСѓРі этого поля. РџСЂРё резонансной частоте это малое поле может инвертировать направление магнитных моментов. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, могло проявиться РІ эффекте электромагнитной индукции РІ катушке, помещенной РІ соответствующее место. Рто явление, открытое Фарадеем РІ 1822 Рі., заключается РІ том, что изменяемое магнитное поле индуцирует ток РІ электрической цепи.