Фелікс Блох

Фотографія Фелікс Блох (photo feliks ве фридриховіцах Bloh)

Feliks Ве Фридриховіцах Bloh

  • День народження: 23.10.1905 року
  • Вік: 77 років
  • Місце народження: Цюріх, Швеція
  • Дата смерті: 10.09.1983 року
  • Громадянство: Швейцарія

Біографія

Швейцарсько-американський фізик Фелікс Блох народився в Цюріху у родині Густава Блоха, оптового торговця зерном, і Агнес (в дівоцтві Майєр) Бліх. Він навчався в гімназії Цюріхського кантону, яку закінчив у 1924 р.

Хлопчика, цікавився математикою і астрономією, записали з інженерної спеціалізації у Федеральному технологічному інституті в Цюріху. Однак, прослухавши перший фізичний курс, Б. вирішив стати фізиком-теоретиком, а не інженером. З 1924 по 1927 р. він навчався у Федеральному інституті, де серед його вчителів були Петер Дебай і Ервін Шредінгер. Потім він навчався в Лейпцігському університеті у Вернера Гейзенберга. Докторський ступінь він отримав у 1928 р. в Лейпцигу за дисертацію, присвячену електронів провідності в металах. У цій дисертації, яка, як зараз визнано, заклала основи фізики твердого тіла, він сформулював теорему, определявшую вигляд хвильових функцій електрона в металах (функції Блоха).

Після завершення докторської дисертації Б. став володарем декількох стипендій, дозволили йому працювати з Гейзенбергом, Нільсом Бором, Енріко Фермі і Вольфгангом Паулі; протягом цього періоду він зробив свій головний внесок у теоретичну фізику. Б. теоретично вивів емпіричний закон німецького фізика Едуарда Грюнейзена, що стосується залежності провідності металів від температури, який нині відомий як співвідношення Блоха – Грюнейзена. Завдяки його внеском у теорію надпровідності і в теоретичне осмислення магнітних систем цілий ряд теорем і ефектів названі його ім’ям: теореми Блоха в теорії надпровідності, закон Блоха, що стосується залежності намагнічування феромагнітних матеріалів від температури (матеріалів типу заліза, чия атомна структура дозволяє їм легко намагнічуватися), стінки Блоха (зони переходу між областями феромагнітного матеріалу з різними магнітними орієнтирами). У 1932 р. Б. розвинув роботу Бору та Ханса А. Бете по гальмування рухомих заряджених частинок у речовині, отримавши формулу Бете – Блоха для цього ефекту.

Коли Гітлер у 1933 р. прийшов до влади, Б., який був євреєм, покинув Німеччину і оселився у Сполучених Штатах. Він став ад’юнкт-професором у Станфордском університеті в 1934 р., а два роки потому зайняв там посаду професора. В цей час він виконав ряд важливих праць з квантової теорії електромагнітного поля. Потім він досліджував нещодавно відкритий нейтрон, передбачивши, що його магнітний момент (міра величини магнітного поля) можна визначити за розсіювання повільних нейтронів на залозі і що пучок нейтронів виявиться поляризованим після розсіювання на залізниці мішені. Ці передбачення були підтверджені в наступному році. Потім Б. повернувся до експериментальним дослідженням. У 1939 р. він разом з Луїсом У. Альваресом виміряв магнітний момент нейтрона, використовуючи циклотрон Каліфорнійського університету в Берклі в якості джерела нейтронів. Під час другої світової війни, як член Манхеттенського проекту по створенню атомної бомби, Б. досліджував властивості ізотопів урану. Пізніше він став помічником керівника групи, що займалася військовими противорадарными розробками в дослідницькій радіолабораторії Гарвардського університету.

Після війни Б. повернувся в Станфордський університет. Тут він застосував радіохвильової техніку, вивчену ним під час роботи в роки війни над радаром, до вивчення магнітних моментів ядер. Фізикам, які намагалися зрозуміти поведінку атомних ядер, потрібно було знати відносні магнітні моменти різних типів ядер з високим ступенем точності. У 30-х рр. В. А. Рабі розробив методику вимірювання ядерних магнітних моментів, але в його методі потрібно випаровувати зразок, а сам метод був не дуже точним. У 1946 р. Б. запропонував метод, який відрізнявся високою точністю і зовсім не ушкоджував зразок. Хоча Б. відомий багатьма досягненнями в області фізики, саме за розробку цієї методики він удостоївся Нобелівської премії.

Коли атом знаходиться в магнітному полі, магнітний момент ядра змушує ядро прецессировать (ефект, аналогічний дії сили тяжіння на обертається дзига, змушує гойдатися його вісь). Частота, або швидкість прецесії ядра залежить від величини магнітного поля і від магнітного моменту ядра. Таким чином, якщо відома сила поля і вдається визначити частоту прецесії, то можна обчислити магнітний момент. Для того щоб визначити частоту прецесії, Б. поміщав зразок досліджуваного матеріалу в магнітне поле потужного електромагніту, змушуючи ядра зразка прецессировать спостоянной швидкістю. Потім він порушував зразок за допомогою набагато більш слабкого магнітного поля, керованого радіосигналами; це друге поле флуктуировало (змінювало напрям) з частотою, що відповідає частоті керуючих радіохвиль. Коли частота збуджуючого поля ставала рівною прецессионной частоті ядер, орієнтація спінів ядер раптово змінилась на протилежну – це легко виявляється ефект носить назву ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Відома частота радіосигналів, відповідна цьому резонансу, прецесії дорівнює частоті ядра. Знаючи точну частоту прецесії даного ядра в поле заданої напруженості, можна визначити магнітний момент ядра з надзвичайною точністю. Метод Блоха дав фізикам-ядерникам точну і вельми бажану інформацію, причому зразок абсолютно не ушкоджувався. Більш того, за допомогою даного методу стало можливо зовсім по-новому і дуже просто вимірювати магнетизм: як тільки стає відомим магнітний момент заданого ядра, його можна використовувати для визначення напруженості магнітного поля.

У той же самий час Едуард М. Перселл (який також займався радарами під час війни) досліджував цю проблему. Одночасно і незалежно він продумав методику вимірювання ядерних магнітних моментів, яка була майже ідентичною методом Блоха. Користуючись методом ЯМР, Перселл виявив, що водень випускає сигнал в радіочастотному діапазоні (відкриття, яке призвело до розвитку радіоастрономії).

Дослідники з допомогою ЯМР виявили, що результуючий магнітний момент атомного ядра в молекулі змінюється під впливом магнітних полів оточуючих електронів. Саме в цих змінах лежить ключ до будови молекул. ЯМР швидко став одним з найважливіших аналітичних інструментів хімії. Більш того, вимірювання за допомогою ЯМР анітрохи не зачіпають зразок, і їх можна проводити з живими організмами, не пошкоджуючи їх. Прийоми і методи обчислень, що застосовувалися в комп’ютерній томографії (томографи були розроблені Алланом Кормаком і Годфрі Хаунсфілд), стали в 70-х рр. об’єднувати з методикою спостережень ЯМР; в результаті з’явилися скануючі ЯМР-пристрої, що дозволяли спостерігати специфічні хімічні реакції всередині людського тіла. Виявилося, що ці пристрої мають величезне значення для наукових досліджень і являють собою могутній інструмент медичної діагностики. Діагностичні скануючі ЯМР-пристрої стали доступні медиків для роботи в середині 80-х рр.

Б. і Перселл були нагороджені в 1952 р. Нобелівською премією з фізики «за розвиток нових методів для точних ядерних магнітних вимірювань і пов’язані з цим відкриття». При презентації лауреатів Ерік Хультен, член Шведської королівської академії наук, зазначив, що «методи Перселла та Б. дають велике спрощення і узагальнення методу молекулярних пучків І. А. Рабі, «що дозволяє застосовувати їх до твердим, рідким і газоподібним речовин». Хультен продовжував: «Оскільки кожен вид атома і його ізотопи мають строго визначеною і характерною ядерної частотою, ми можемо в будь-якому об’єкті, вміщеному між полюсами електромагніту, шукати і досліджувати з допомогою радіохвиль всілякі види атомів та ізотопів, присутніх в досліджуваному об’єкті… не надаючи помітного впливу на зразок». Застосування їх фізичних досліджень до астрономії, хімії та медицини являє собою видатний приклад того, як фундаментальне дослідження виявляє вплив, що виходить далеко за межі тієї області, де воно проводилося.

Більшість досліджень Б. після 1946 р. пов’язане з застосуваннями ЯМР або, як він спочатку це назвав, «ядерної індукції». В 1954…1955 рр. він взяв дворічний відпустку в Станфорде, щоб стати генеральним директором Церн (Європейського центру ядерних досліджень у Женеві (Швейцарія). У 1963 р. він обійняв посаду професора фізики в Станфорде. Пішовши у відставку в 1971 р., Б. повернувся до Цюріха, де і помер 10 вересня 1983 р.

У 1940 р. Б. одружився на Лорі К. Міш, фізики і теж біженки з Німеччини; у них було три сини і дочка. Він став громадянином США у 1939 р.

Б. був членом американської Національної академії наук. Американської академії наук і мистецтв. Швейцарської академії природничих наук, Американського фізичного товариства, президентом якого він був до 1965 р.