Нобелови лауреати – 1952 година

Едуард Милс Пърсел (Edward Mills Purcell)

30 август 1912 г. – 7 март 1997 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Феликс Блох)

(За разработването на нови методи за точни ядрени магнитни измервания и свързаните с това открития.)

Американският физик Едуард Милс Пърсел е роден в Тейлървил (щат Илинойс) в семейството на Едуард А. Пърсел и Мери Елизабет (Милс) Пърсел. Начално и следно образование получава в държавните училища в Тейлървил и Матун. През 1929 г. постъпва в университета „Пердю“, щат Индиана. Когато получава степента бакалавър по електротехника (1933 г.), започва да се интересува от физика. След една година като студент на обменни начала в техническия университет в Карлсруе, Германия, записва аспирантура по физика в Харвардския университет, където получава степените магистър (1936 г.) и доктор по философия (1938 г.). До 1940 г. остава в Харвард като преподавател.

По време на Втората световна война Пърсел започва работа в радиолокационната лаборатория на Масачузетския технологичен институт, създадена за разработване на микровълнов радар. Там оглавява групата за фундаментални изследвания (1944-1945), която разработва нова техника за генериране и откриване на микровълни (високочестотни електромагнитни излъчвания). По това време той се свързва също така с И. А. Раби, който вече е проучил свойствата на атомите и молекулите с помощта на радиовълни. През 1946 г. Пърсел се връща в Харвард като адюнкт-професор по физика и през 1949 г. става пълен (действителен) професор. Знанията за свойствата на излъчването в микровълновия и радиочестотния диапазон, получени при разработката на радарните системи, помагат на Пърсел за неговите харвардски изследвания на магнитните моменти на ядрата, което по-късно го довежда до Нобеловата награда.

През 20-те години става известно, че атомното ядро се върти около своя ос и има характеристиките на малък магнит. Точното знание за магнитните моменти на различните ядра е важно за физиците, опитващи се да разберат поведението на ядрото. Особено физиците трябва да знаят магнитния момент на протона (фундаменталната съставка на ядрото). През 30-те години Раби предлага начин за измерване на магнитните моменти с помощта на радиовълни, но неговия метод изисква изпарение на образеца. Пърсел си поставя задачата да разработи метод, който не само да не разрушава образеца, но и да е по-точен от метода на Раби. Долу-горе по това време Феликс Блох от Станфорския университет (който също помага по време на Втората световна война за за създаването на универсална радарна техника) започва да работи над същия проблем. Едновременно и независимо един от друг двамата изследователи предлагат еднакви по същност методи за измерване на ядрените магнитни моменти.

Магнитният момент кара ядрото да прецесира в магнитно поле. Прецесията е кръгово движение на наклонената ос на въртящ се обект. Известен пример е люлеещото се движение на въртящ се пумпал (макар че прецесията на пумпала става под въздействието на гравитацията, а не на магнитно поле). Честотата, или скоростта на ядрената прецесия зависи от напрежението на магнитното поле и от магнитния момент на конкретното ядро. Ако е известно напрежението на външното магнитно поле, а честотата на прецесията бъде измерена, магнитният момент на ядрото може да бъде изчислен. Методът, развит от Пърсел през 1946 г. се състои в това, че изследваният образец се поставя между полюсите на малък магнит, привеждан в действие от радиосигнали. Полето на магнита флуктуира (включва се и се изключва) с честота, съответстваща на честотата на управляващите радиовълни. На свой ред малкият магнит се поставя в по-интензивното поле на голям нефлуктуиращ магнит. Силното постоянно поле кара ядрата на образеца да прецесира с някаква постоянна (макар и неизвестна) честота. Когато честотата на флуктуация на слабото поле съвпадне точно с честотата на прецесия на ядрата, ориентацията на ядрените спинове става със скок противоположна: възниква лесно откриваем ефект, който получава названието ядрен магнитен резонанс (ЯМР). ЯМР позволява да се измери с голяма точност честотата на прецесията - тя съвпада с честотата на радиосигналите, изпращани в момента, когато настъпва ЯМР. Но след като честотата на прецеися на ядрата в образеца е известна, ядрените магнитни момент могат да бъдат изчислени със същата голяма точност.

Методът на Пърсел не води до някакви забележими промени в изследваното вещество и позволява да се изчислят магнитните моменти с по-голяма, отколкото при други експериментални методи, точност. Освен това, след като магнитният момент на атомното ядро е определен, той може да се използва за измерване на напрежението на всяко магнитно поле. Така, освен информацията, съществена за специалистите по ядрена физика, ЯМР дава удобен и много точен метод за измерване на магнетизма с помощта на радиовълни.

С помощта на ЯМР Пърсел открива, че на поведението на магнитните моменти на ядрата в молекулите влияе магнитното поле на околните електрони. Докато на физиците, опитващи се да определят свойствата на ядрото, подобни ефекти биха могли да им се струват досадни тънкости, присъщи на молекулите, химиците ги преценили като много важни и полезни, защото тези ефекти съдържат съществена информация за структурата на изследваната молекула. ЯМР се превърнал бързо в един от най-мощните аналитични инструменти в химията. Освен това измерването на ЯМР можело да се използва и при изследване на живи организми, защото не им причинява никаква вреда. Появилите се през 70-те години сканиращи устройства на основата на ЯМР позволяват да се наблюдават специфични химически реакции, протичащи в организма на хората или на други едри млекопитаещи. Необикновено полезни в научните изследвания, ЯМР-скенерите се оказват удобен инструмент за медицинска диагностика. В средата на 80-те години за медиците става достъпно промишлено произведено сканиращо диагностично оборудване на основата на ЯМР.

През 1961 г. Пърсел открива с помощта на ЯМР, че атомите на междузвездния водород имат електромагнитно излъчване с 21 см. дължина на вълната. Той разбира бързо, че това излъчване може да се превърне в своеобразен прозорец за наблюдение при астрономическите изследвания. Смятало се, че междузвездното пространство съдържа огромни облаци водород, но тъй като водородът в космическото пространство не излъчва светлина, не може да се наблюдава с оптически методи. Пърсел, в сътрудничество с Харолд Джюен, успява да построи първият радиотелескоп, предназначен за откриване на излъчвания с 21 см. дължина на вълната. След това радиотелескопите позволяват да се определи общата структура на нашата Галактика въпреки облаците от галактичен прах.

Прилагането на методите, разработени от Пърсел за физически изследвания, при решаването на проблемите на астрономията, химията и медицината, предизвиквайки истински преврат в тези области, се превръща в ярък пример за това как фундаменталните изследвания могат да доведат до практически резултати, лежащи извън областта на първоначалните търсения.

През 1958 г. Пърсел става професор по физика в Харвард, където остава до пенсионирането си. Назначен е за научен съветник (1957-1960) и член на Президентския научноконсултативен комитет на САЩ (1957-1960; 1962-1966). През този период Пърсел прави много за повишаване на равнището на преподаване на физика в американските средни училища и колежи, тъй като е член на комисията, занимаваща се с преразглеждането на програмите по физика. Участва активно при разработването на уводния курс по физика в Бъркли, във връзка с което написва учебника „Електричество и магнетизъм“ („Electricity and Magnetism“, 1965 г.), който според общото мнение е истински шедьовър. През 1980 г. става почетен професор в Харвардския университет.

През 1937 г., когато все още работи над докторската си дисертация, Пърсел се жени за Бет С. Баснър. Семейството има двама сина. В свободното си време Пърсел обича да се разхожда пеш, да кара ски и да посещава музеи на съвременното изкуство.

Освен с Нобелова награда Пърсел е награден с медала Ърстед на Американската асоциация на преподавателите по физика (1968 г.) и Националния медал „За научни постижения“ на Националния научен фонд (1980 г.). Той е член на американската Национална академия на науките, на Американската академия на науките и изкутвата, на Американското философско дружество и на Американското физическо дружество, чийто председател е през 1980 г. От 1950 до 1971 г. Пърсел е старши член на Дружеството на завършилите Харвардския университет. Удостоен е с почетнта степен от университета „Пърдю“.

Превод от руски: Павел Б. Николов