Феликс Блох

Биография

Швейцарско-американский физик Феликс Блох родился в Цюрихе, в семье Густава Блоха, оптового торговца зерном, и Агнес (в девичестве Майер) Блох. Он учился в гимназии Цюрихского кантона, которую окончил в 1924 г.

Мальчика, интересовавшегося математикой и астрономией, записали по инженерной специализации в Федеральном технологическом институте в Цюрихе. Однако, прослушав первый физический курс, Б. решил стать физиком-теоретиком, а не инженером. С 1924 по 1927 г. он учился в Федеральном институте, где среди ег

о учителей были Петер Дебай и Эрвин Шредингер. Затем он учился в Лейпцигском университете у Вернера Гейзенберга. Докторскую степень он получил в 1928 г. в Лейпциге за диссертацию, посвященную проводимости электронов в металлах. В этой диссертации, которая, как сейчас признано, заложила основы физики

твердого тела, он сформулировал теорему, определявшую вид волновых функций электрона в металлах (функции Блоха).

После завершения докторской диссертации Б. стал обладателем нескольких стипендий, позволивших ему работать с Гейзенбергом, Нильсом Бором, Энрико Ферми и Вольфгангом Паули; в течение э

того периода он сделал свой основной вклад в теоретическую физику. Б. теоретически вывел эмпирический закон немецкого физика Эдуарда Грюнейзена, касающийся зависимости проводимости металлов от температуры, который ныне известен как соотношение Блоха – Грюнейзена. Благодаря его вкладу в теорию сверхп

роводимости и в теоретическое осмысление магнитных систем целый ряд теорем и эффектов названы его именем: теорема Блоха в теории сверхпроводимости, закон Блоха, касающийся зависимости намагниченности ферромагнитных материалов от температуры (материалов типа железа, чья атомная структура позволяет им

легко намагничиваться), стенки Блоха (зоны перехода между областями ферромагнитного материала с различными магнитными ориентирами). В 1932 г. Б. развил работу Бора и Ханса А. Бете по торможению движущихся заряженных частиц в веществе, получив формулу Бете – Блоха для этого эффекта.

Когда Гитлер

в 1933 г. пришел к власти, Б., который был евреем, покинул Германию и поселился в Соединенных Штатах. Он стал адъюнкт-профессором в Станфордском университете в 1934 г., а два года спустя занял там пост полного профессора. В это время он выполнил ряд важных работ по квантовой теории электромагнитного

поля. Затем он исследовал недавно открытый нейтрон, предсказав, что его магнитный момент (мера величины магнитного поля) можно будет определить по рассеянию медленных нейтронов на железе и что пучок нейтронов окажется поляризованным после рассеяния на железной мишени. Эти предсказания были подтверж

дены в следующем году. Затем Б. вернулся к экспериментальным исследованиям. В 1939 г. он вместе с Луисом У. Альваресом измерил магнитный момент нейтрона, используя циклотрон Калифорнийского университета в Беркли в качестве источника нейтронов. Во время второй мировой войны, как член Манхэттенского п

роекта по созданию атомной бомбы, Б. исследовал свойства изотопов урана. Позднее он стал помощником руководителя группы, занимавшейся военными противорадарными разработками в исследовательской радиолаборатории Гарвардского университета.

После войны Б. вернулся в Станфордский университет. Здесь он

применил радиоволновую технику, изученную им во время работы в годы войны над радаром, к изучению магнитных моментов ядер. Физикам, которые пытались понять поведение атомных ядер, нужно было знать относительные магнитные моменты различных типов ядер с высокой степенью точности. В 30-х гг. И.А. Раби

разработал методику измерения ядерных магнитных моментов, но в его методе требовалось испарять образец, а сам метод был не очень точным. В 1946 г. Б. предложил метод, который отличался высокой точностью и совершенно не повреждал образец. Хотя Б. известен многими достижениями в области физики, именн

о за разработку этой методики он удостоился Нобелевской премии.

Когда атом находится в магнитном поле, магнитный момент его ядра вынуждает ядро прецессировать (эффект, аналогичный действию силы тяжести на вращающийся волчок, заставляющей качаться его ось). Частота, или скорость, прецессии ядра за

висит от величины магнитного поля и от магнитного момента ядра. Таким образом, если известна сила поля и удается определить частоту прецессии, то можно вычислить магнитный момент. Для того чтобы определить частоту прецессии, Б. помещал образец исследуемого материала в магнитное поле мощного электром

агнита, вынуждая ядра образца прецессировать с постоянной скоростью. Затем он возбуждал образец с помощью гораздо более слабого магнитного поля, управляемого радиосигналами; это второе поле флуктуировало (меняло направление) с частотой, соответствующей частоте управляющих радиоволн. Когда частота во

збуждающего поля становилась равной прецессионной частоте ядер, ориентация спинов ядер внезапно менялась на противоположную – этот легко обнаруживаемый эффект носит название ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Известная частота радиосигналов, соответствующая этому резонансу, равна частоте прецессии

ядра. Зная точную частоту прецессии данного ядра в поле заданной напряженности, можно определить магнитный момент этого ядра с необыкновенной точностью. Метод Блоха дал физикам-ядерщикам точную и весьма желанную информацию, причем образец совершенно не повреждался. Более того, с помощью данного мет

ода стало возможно совсем по-новому и очень просто измерять магнетизм: как только становится известен магнитный момент заданного ядра, его можно использовать для определения напряженности магнитного поля.

В то же самое время Эдуард М. Перселл (который также занимался радарами во время войны) иссл

едовал эту же проблему. Одновременно и независимо он продумал методику измерения ядерных магнитных моментов, которая была почти идентичной методу Блоха. Пользуясь методом ЯМР, Перселл обнаружил, что водород испускает сигнал в радиочастотном диапазоне (открытие, которое привело к развитию радиоастрон

омии).

Исследователи с помощью ЯМР обнаружили, что результирующий магнитный момент атомного ядра в молекуле изменяется под воздействием магнитных полей окружающих электронов. Именно в этих изменениях лежит ключ к строению молекул. ЯМР быстро стал одним из важнейших аналитических инструментов хими

и. Более того, измерения с помощью ЯМР нисколько не затрагивают образец, и их можно проводить с живыми организмами, не повреждая их. Приемы и методы вычислений, применявшиеся в компьютерной томографии (томографы были разработаны Алланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом), стали в 70-х гг. объединять с м

етодикой наблюдений ЯМР; в результате появились сканирующие ЯМР-устройства, позволявшие наблюдать специфические химические реакции внутри человеческого тела. Оказалось, что эти устройства имеют огромное значение для научных исследований и представляют собой могучий инструмент медицинской диагностики

. Диагностические сканирующие ЯМР-устройства стали доступны медикам для работы в середине 80-х гг.

Б. и Перселл были награждены в 1952 г. Нобелевской премией по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». При презентации лауреатов Эрик Ху

льтен, член Шведской королевской академии наук, отметил, что «методы Перселла и Б. дают огромное упрощение и обобщение» метода молекулярных пучков И.А. Раби, «что позволяет применять их к твердым, жидким и газообразным веществам». Хультен продолжал: «Поскольку каждый вид атома и его изотопы обладают

строго определенной и характерной ядерной частотой, мы можем в любом объекте, помещенном между полюсами электромагнита, искать и исследовать с помощью радиоволн всевозможные виды атомов и изотопов, присутствующих в исследуемом объекте... не оказывая заметного воздействия на образец». Применение их

физических исследований к астрономии, химии и медицине являет собой выдающийся пример того, как фундаментальное исследование оказывает воздействие, выходящее далеко за рамки той области, где оно проводилось.

Большинство изысканий Б. после 1946 г. связано с применениями ЯМР или, как он первоначаль

но это назвал, «ядерной индукции». В 1954...1955 гг. он взял двухгодичный отпуск в Станфорде, чтобы стать генеральным директором ЦЕРНа (Европейского центра ядерных исследований) в Женеве (Швейцария). В 1963 г. он занял пост профессора физики в Станфорде. Уйдя в отставку в 1971 г., Б. вернулся в Цюри

х, где и умер 10 сентября 1983 г.

В 1940 г. Б. женился на Лоре К. Миш, физике и тоже беженке из Германии; у них было три сына и дочь. Он стал гражданином США в 1939 г.

Б. был членом американской Национальной академии наук. Американской академии наук и искусств. Швейцарской академии естественны