Νόμπελ Φυσικής 1952
Ένα βραβείο για την μέτρηση του πυρηνικού μαγνητισμού συντονισμού

 Άρθρο, Δεκέμβριος 2002

Πριν πενήντα χρόνια, στις 11 Δεκεμβρίου 1952, δύο Αμερικανοί φυσικοί οι Felix Bloch και Edward Purcell, βραβεύτηκαν για την ανάπτυξη νέων μεθόδων μέτρησης του πυρηνικού μαγνητισμού και κατά συνέπεια τις ανακαλύψεις που έγιναν.

Ο Ελβετικής καταγωγής φυσικός Felix Bloch (1905-1983) ασχολήθηκε σε όλη τη σταδιοδρομία του με τον μαγνητισμό.

Ενδιαφέρθηκε νωρίς για τη θεωρητική φυσική και παρακολούθησε διαλέξεις από τους Debye, Scherrer, Weyl και τέλος από τον Schrödinger, που δίδασκε εκείνη την εποχή στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης. Αργότερα, το 1927, συνέχισε με τον Heisenberg στο Πανεπιστήμιο της Λειψίας πάνω στην κβαντομηχανική των ηλεκτρονίων στους κρυστάλλους και ανέπτυξε μια θεωρία πάνω στην αγωγιμότητα των μετάλλων. Του δόθηκε η ευκαιρία να δουλέψει με τους Pauli, Kramers, Heisenberg, Bohr, και Fermi, και να κάνει θεωρητικές σπουδές πάνω στην φυσική στερεάς κατάστασης.

Μετά την άνοδο του Χίτλερ το 1933 μετέβη στο Πανεπιστήμιο του Stanford. Το νέο περιβάλλον στο οποίο βρέθηκε του έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθεί με την πειραματική έρευνα. Δουλεύοντας με μια πολύ απλή πηγή νετρονίων, αντιλήφθηκε ότι θα μπορούσε να βρεθεί μια άμεση απόδειξη για τη μαγνητική ροπή των ελεύθερων νετρονίων μέσω της παρατήρησης της σκέδασης στο σίδηρο. Το 1936, δημοσίευσε ένα έγγραφο στο οποίο αναλύονταν οι λεπτομέρειες του φαινομένου και στο οποίο επισημάνθηκε ότι το ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο των ατόμων του σιδήρου προκαλεί την παραγωγή πολωμένων ακτίνων νετρονίων.

 Η περαιτέρω ανάπτυξη αυτών των ιδεών τον οδήγησε το 1939 σε ένα πείραμα, που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τον L.W. Alvarez στο κύκλοτρον του Μπέρκλεϋ, στο οποίο η μαγνητική ροπή του νετρονίου καθορίστηκε με μια ακρίβεια περίπου 1%.

Κατά τη διάρκεια του πολέμου ο Δρ Bloch δούλεψε επίσης στο πρόγραμμα για την ατομική βόμβα στο Πανεπιστήμιο και το Los Alamos του Στάνφορντ ενώ αργότερα ερευνούσε τα αντίμετρα εναντίον του ραντάρ στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Μέσω αυτής της τελευταίας εργασίας εξοικειώθηκε με τις σύγχρονες εφαρμογές της ηλεκτρονικής που, προς το τέλος του πολέμου, του υπέδειξαν μια νέα μέθοδο προσπέλασης των πυρηνικών ροπών.

Αυτές τις έρευνες άρχισαν αμέσως μετά από την επιστροφή του στο Στάνφορντ στο τέλος του 1945 και τον οδήγησαν σε συνεργασία με τους W.W. Hansen και M.E. Packard στη νέα μέθοδο της πυρηνικής επαγωγής (πυρηνικών μαγνητικών ροπών), μια καθαρά ηλεκτρομαγνητική διαδικασία για τη μελέτη των πυρηνικών ροπών στα στερεά, τα υγρά, ή τα αέρια. Μερικές εβδομάδες μετά από τα πρώτα επιτυχή του πειράματα έμαθε ότι ανεξάρτητα και ταυτόχρονα με αυτόν ο E.M. Purcell και οι συνεργάτες του στο Χάρβαρντ έκαναν τις ίδιες μετρήσεις.

Η μέθοδος συνίσταται στην μετάπτωση των μαγνητικών ροπών γύρω από ένα συνεχές μαγνητικό πεδίο, σε συνθήκες συντονισμού με εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Οι πυρήνες εκπέμπουν τότε ένα ασθενές σήμα που καταγράφεται.

Από τότε ο Bloch αφιερώθηκε στις έρευνες με τη χρήση αυτής της νέας μεθόδου. Μάλιστα τότε ήταν σε θέση, συνδυάζοντας τα στοιχεία της πρώτης εργασίας του πάνω στη μαγνητική ροπή του νετρονίου, να ξαναμετρήσει αυτήν την σημαντική ποσότητα με μεγάλη ακρίβεια σε συνεργασία με τους Δ.Νικόδημο και H.H. Staub (1948).

Το 1954, ο Bloch έγινε ο πρώτος Γενικός Διευθυντής του Κέντρου Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) στη Γενεύη.

Ο δεύτερος βραβευθείς ήταν ο Edward Mills Purcell που γεννήθηκε το 1912 στο Illinois. Πήρε το πτυχίο του ηλεκτρολόγου μηχανικού το 1933 και τα ενδιαφέροντά του στράφηκαν στη φυσική και χάρις στον Lark-Horovitz πήρε μέρος στην πειραματική έρευνα της διάθλασης των ηλεκτρονίων.

Επί ένα έτος παρακολούθησε μαθήματα στο Technische Hochschule της Καρλσρούης, όπου μελέτησε κάτω από την καθοδήγηση του καθηγητή W. Weizel. Επιστρέφει στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1934 για να εισαχθεί στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, όπου έλαβε το διδακτορικό του το 1938.  Το 1940 συμμετείχε στο εργαστήριο ακτινοβολίας του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Μασαχουσέτης, το οποίο οργανώθηκε το 1940 για στρατιωτικές έρευνες και την ανάπτυξη του ραντάρ μικροκυμάτων.

 Έγινε επικεφαλής του Εργαστηρίου Ακτινοβολίας, το οποίο εξερευνούσε νέες περιοχές συχνοτήτων και την ανάπτυξη νέων τεχνικών μικροκυμάτων. Αυτή η εμπειρία του έγινε πολύτιμη γιατί στην επόμενη επιστημονική εργασία του συνεργάστηκε με διάφορους φυσικούς, μεταξύ των οποίων ο I.I. Rabi, για τη μελέτη των μοριακών και πυρηνικών ιδιοτήτων με ραδιομεθόδους.

Η ανακάλυψη του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού έγινε ακριβώς μετά το τέλος του πολέμου, και εκείνη την εποχή ο Purcell επέστρεψε στο Χάρβαρντ ως καθηγητής της φυσικής. Από το 1949  εργάστηκε στον τομέα του πυρηνικού μαγνητισμού, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα προβλήματα της μοριακής δομής, της μέτρησης των ατομικών σταθερών, και της πυρηνικής μαγνητικής συμπεριφοράς στις χαμηλές θερμοκρασίες.

Τα άτομα τοποθετούνταν στο εσωτερικό ενός πηνίου υψηλής συχνότητας και η όλη διάταξη βρισκόταν μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο ευθυγράμμιζε τις μαγνητικές ροπές, όμως η εκπομπή ραδιοκυμάτων από το πηνίο επέτρεπε τον αναπροσανατολισμό των μαγνητικών ροπών με την απορρόφηση ενέργειας σε συνθήκες συντονισμού. Αυτή η ακριβής μέθοδος μέτρησης της συχνότητας συντονισμού ήταν η αιτία της βράβευσής του με Νόμπελ.

Το 1951 ο Purcell συνέβαλε στην κατασκευή ραδιοτηλεσκοπίου, το οποίο στηριζόμενο στις αλλαγές διεύθυνσης του σπιν και την εκπεμπόμενη ακτινοβολία, κατέγραφε τις κινήσεις των νεφών υδρογόνου στο Σύμπαν.