诺贝尔奖NMR名人堂


2021年6月4日,1991年诺贝尔化学奖获得者、苏黎世联邦理工学院(ETH)名誉教授理查德·恩斯特(Richard R. Ernst)去世,享年87周岁。为了纪念理查德·恩斯特等科学家对磁共振的贡献,纽迈分析特别推出“诺贝尔奖NMR名人堂“,缅怀纪念这些为磁共振科学事业做出卓越贡献的科学家们。


往期文章:

(一)从大提琴手到化学家、中国科学界挚友:诺贝尔奖得主——理查德恩斯特教授

图:公众号:e梦e影-7月3日,医学磁共振成像技术的“生日”!


有着“诺贝尔奖”收割机的核磁共振技术,是人类科学家最伟大的发明之一,先后共9位科学家因为研究核磁共振的贡献,获得7次诺贝尔奖。


9位科学家不仅科研成果瞩目,连颜值也很高,尤其是1952年的诺贝尔物理学奖得主、核磁共振现象的发现者:费利克斯·布洛赫和珀塞尔,今天我们就来聊聊费利克斯·布洛赫

图:费利克斯·布洛赫


贡献之一:独立观察核磁共振现象


1945年,布洛赫用自己搭载的实验平台做出了核磁共振现象。

布洛赫等人在第一次观察到核感应信号的成功实验中,射频频率为7.76MHz,相应的磁场强度为0.1826T。他们的仪器设备是极其简陋的,整个实验才花了275美元,包括买一台普通示波器所用的250美元在内。他们就在这样的条件下取得了具有历史意义的辉煌成果。


贡献之二:提出测量核磁矩的方法


1946年,布洛赫提出了他的高精度测量核磁矩的方法:“核感应”方法,其数学公式被称为“布洛赫方程”。


布洛赫设想,在共振条件下,原子核的总磁矩与交变磁场成一有限的角度并绕恒定磁场作进动。他把观察到的信号看作是感应电动势。这样,原子核就变成了微型无线电发报机,而布洛赫收到了它发射的信号。由示波器屏幕上条纹的方向便可知道核的旋转是顺着磁场方向还是逆着磁场方向,进而便可推算出核的磁矩。


贡献之三:研究电子在晶格中的运动并对其做了简化


根据布洛赫的结论:晶格中电子的波函数,只不过是真空中自由电子的波函数,其振幅部分被晶格的周期势调制后的结果。布洛赫波描述的布洛赫电子之运动而建立的能带理论,是后来半导体工业及集成电路发展的基础。


1.最初的志向成为一名工程师,机缘巧合进入理论物理的世界


布洛赫,1905年10月23日出生于瑞士的苏黎世,他最初想成为一名工程师。于是1924至1927年间,他曾先后在苏黎世联邦技术学院和莱比锡大学学习,最初学习工程,他在那儿选修了德拜、外尔和薛定谔等开设的课程,将兴趣转向了理论物理和量子力学。


然而1927年秋天,著名物理学家薛定谔离开苏黎世后,布洛赫在莱比锡大学拜海森堡(Werner Karl Heisenberg,1901-1976)为师。


1927年,在准备他的博士论文时,布洛赫企图用量子力学,来解释电子是如何“偷偷地潜行”于金属中的所有离子之间的。


电子在晶体中的运动,可以看成是自由电子在原子周期势场中的运动。既然势场是一个周期函数,布洛赫很自然地想到使用处理周期函数最强大的工具:傅立叶分析。布洛赫将此方法用于薛定谔方程,再进行一些近似和简化之后,高兴地发现自己得到了一个很好的结果,他把它用来解释金属的能带,并写进了他的博士论文“论晶格中的量子力学”中,那年他23岁。


2.入职斯坦福大学:做出了诺贝尔成果

进入斯坦福大学

第二次世界大战期间,由于布洛赫在哈弗大学的无线电研究室从事雷达的计算测量工作,使他熟悉现代电子技术的发展。因此他打算通过射频接收的一般方法来检验核磁矩的重新取向,进而可解决磁场定标问题。


他进行了大量的理论计算工作,直到1945年春天他在去芝加哥的火车上,还在信封背面计算。


他确信在1立方厘米的水中,质子在几千高斯的磁场中共振时,将会在围绕的线圈上感应出一个不足以超过接收机噪声的射频电压,信噪比不小于3。因此他决定在战争结束后,回到斯坦福大学做这个实验。


进入斯坦福大学,布洛赫找到了自己的实验伙伴:从事速调管闻名的汉森(W.W.Hanson)以及青年人卡德(M.Paokard),三人搭档借用一台示教用的磁铁进行改装(实验装置如图)。

图:核磁感应装置示意图

来源:论文《核磁共振的发现(下)》


布洛赫一开始决定用水做样品,由于他对顺磁杂质能缩短弛豫时间方面具有洞察力,在样品中加如铁硝酸盐,从而避免他们走哥特的厄运。

1965

两位科学家同时发现核磁共振现象


1945年12月,哈佛大学的爱德华·米尔斯·珀塞尔小组报道了他们在石蜡样品中观察到了质子的核磁共振吸收信号。过了一个月左右,布洛赫小组也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。

图:布洛赫在《物理评论》发布核感应的论文


两个小组用不同的方法,在凝聚物质中分别发现了核磁共振现象,为之后许多物理学家的核磁共振研究打下了基础。

关于核磁共振的原理,我们之前写过很多,想了解的请点击这里

纽迈科普系列/核磁共振原理与成像+实验演示视频课程

非专业出身,如何理解核磁共振原理?

虽然几乎同时观测到的同样核磁共振信号,珀塞尔和布洛赫却有不同的理论解释。


珀塞尔根据半经典的量子力学,用能量子吸收的观点来看待核磁共振的吸收信号,而布洛赫则用经典的磁化矢量进动模型,用感应电流与检测线圈同相位来解释核磁矩的共振吸收。


相对于珀塞尔简明的量子力学吸收理论,布洛赫的磁化矢量感应理论显得较为复杂而更为成熟。布洛赫首次导入了纵向弛豫时间和横向弛豫的概念,并将它们唯象地引入到磁化矢量的动力学方程式中,构成了布洛赫方程。


图:感应电流与检测线圈同相位来解释核磁矩的共振吸收

1946

核磁共振现象发现以后


珀塞尔说,在他和他的同事们检测到核磁共振时,他也不了解这个发现将来会有什么实用上的重要性。


半年后,布洛赫提出了核磁共振宏观理论,他从核磁矩在磁场中的经典运动方程出发,引入自旋—晶格弛豫时间T1和自旋—自旋弛豫时间T2,并建立了微分方程:


这就是布洛赫方程。式中M是单位体积样品的磁化强度,Mx、My、Mz,是它在三个方向上的分量。M0是M在恒定磁场方向的热平衡值。尽管这个方程对于固体而言还有其局限性,但这些方程提到了一个引入弛豫效应最简单的方法。

布洛赫球面示意图:基于核磁矩提出核磁共振的宏观理论,提出经典的布洛赫方程。


鉴于弛豫在核磁共振中的重要性,布林伯格(N.Bloembergen)、珀塞尔和庞德于1948年发表《核磁共振吸收的弛豫效应》一文,结合实验实际,提出了核磁共振弛豫理论。


3.深切缅怀这些伟大的科学家们

1952年诺贝尔物理学奖获得者:费利克斯·布洛赫(一同分享该奖的还有珀塞尔)

来源百度百科:费利克斯·布洛赫


核磁共振的发现不是偶然的,它有着必然的背景和自然的过程。布洛赫和珀塞尔等之所以成为发现者,除了本身的智慧和勤奋之外,他们在前人的工作和自己的实践中萌发了新的物理思想,在实验与理论的结合中找到了可行的方法。


这些伟大的关于核磁共振的基础研究,为后续的医学、化学、生物学、物理学、地质学等各个学科的发展提供了最为坚实的基础。


如今,在医学、物理 、化学 、材料 、环境 、生命 、认知科学等诸多领域 ,核磁共振毫无疑问是一个非常有利的研究手段和工具。在学科分类越来越细,核磁共振家族逐渐庞大的今天,低场核磁共振技术、快速变场核磁共振共振技术日益蓬勃发展,纽迈分析和国内外波谱界的科学们一道,用自己的专业擅长为核磁共振的发展,做出自己的贡献,用实际行动践行把核磁共振应用普及到千家万户……


关于纽迈

苏州纽迈分析仪器股份有限公司专注于“低场核磁共振”技术开发及应用推广,具备强大的自主研发能力、卓越的生产服务水平和完备成熟的运营体系,是国家高新技术企业。


经过十多年的发展,纽迈分析独立自主开发的多款低场核磁共振仪器打破了国外进口设备的垄断,已成功的应用于能源岩土、食品农业、生命科学、材料与教学等领域,获得业界的一致认可,取得多项国家奖项和资质认证。


多年来,公司建立并保持着与国内高等院校、科研院所密切合作的关系,通过产学研一体化实现技术创新,优势互补,全方位提升产品品质。经过不断的技术积累与应用创新开拓,纽迈分析已迅速成长为一家注重人才、注重创新、注重发展的新三板上市高科技企业。作为低场磁共振科学仪器设备国内领军品牌,纽迈分析将继续秉承“专精敏恒”的企业文化,为推动国内低场磁共振行业可持续发展,成为“低场磁共振应用解决方案专家”不懈努力。

参考资料:

1. 核磁共振现象的发现者:费利克斯·布洛赫

2. 四院放射科:磁共振(MRI)——诺贝尔奖的“收割机”

3.e梦e影:7月3日,医学磁共振成像技术的“生日”!

6.林木欣.核磁共振的发现(下)[J].大学物理.1984,34-37.

作者:海燕

修改:彭磊

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