Нобелови лауреати – 1952 година

Феликс Блох (Felix Bloch)

23 октомври 1905 г. – 10 септември 1983 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Едуард Милс Пърсел)

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

Швейцарско-американският физик Феликс Блох е роден в Цюрих, в семейството на Густав Блох, търговец на зърно на едро, и Агнес (Майер) Блох. Той учи в гимназията на Цюрихския кантон, която завършва през 1924 г. Момчето, което се интересува от математика и астрономия, записва инженерна специализация във Федералния технологичен институт в Цюрих. Но когато слуша първия курс по физика, Блох решава да стане физик теоретик, а не инженер. От 1924 до 1927 г. той учи във Федералния институт, където негови учители са Питър Дебай и Ервин Шрьодингер. След това учи в Лайпцигския университет при Вернер Хайзенберг. Докторска степен получава през 1928 г. в Лайпциг за дисертация, разглеждаща проводимостта на електроните в металите. В тази дисертация, в която, както сега е признато, са заложени основите на физиката на твърдото тяло, Блох формулира теорема, определяща вида на вълновите функции на електроните в металите (функции на Блох).

След завършването на докторската си дисертация Блох получава няколко стипендии, които му позволяват да работи с Хайзенберг, Нилс Бор и Волфганг Паули; през този период той прави основния си принос за теоретичната физика. Блох формулира теоретично емпиричния закон на немския физик Едуард Грюнейзен, отнасящ се за зависимостта на проводимостта на металите от температурата, който днес е известен като съотношение на Блох-Грюнейзен. Благодарение на приноса му за теорията на свръхпроводимостта и за теоретичното осмисляне на магнитните системи цел ред теореми и ефекти са наречени на неговото име: теорема на Блох в областта на свръхпроводимостта, закон на Блох, отнасящ се за зависимостта на намагнитеността на феромагнитните материали (материали като желязото, чиято атомна структура им позволява да се намагнитват лесно) от температурата, стени на Блох (зони на преход между области от феромагнитен материал с различна магнитна ориентация). През 1932 г. Блох развива изследванията на Бор и Ханс А. Бете за задържането на движещи се заредени частици във веществото, като извежда формулата на Бете-Блох за този ефект.

Когато през 1933 г. Хитлер идва на власт, Блох, който е евреин, напуска Германия и отива да живее в Съединените щати. Той става през 1934 г. адюнкт-професор в Станфордския университет, а две години по-късно заема професорски пост. По това време прави редица важни изследвания във връзка с квантовата теория на електромагнитното поле. След това изследва открития наскоро неутрон, като предсказва, че неговият магнитен момент (мярката за величина на магнитното поле) може да се определи по разсейването на бавните неутрони от желязо и че лъчът неутрони ще се окаже поляризиран след разсейването от желязна мишена. Тези предвиждания се потвърждават на следващата година. След това Блох се връща към експерименталните изследвания. През 1939 г. заедно с Луис У. Алварес измерва магнитния момент на неутрона, като използва за източник на неутрони циклотрона на Калифорнийския университет в Бъркли. По време на Втората световна война, като член на Манхатънския проект за създаването на атомна бомба, Блох изследва свойствата на изотопите на урана. След това става помощник-ръководител на групата, занимаваща се с военните противорадарни разработки в изследователската радиолаборатория на Харвардския университет.

След войната Блох се връща в Станфордския университет. Там той използва радиовълновата техника, която проучва по време на работата си през военните години над радара, за да изследва магнитните моменти на ядрата. Физиците, които се опитват да разберат поведението на атомните ядра, трябва да знаят относителните магнитни моменти на различните видове ядра с голяма степен на точност. През 30-те години И. А. Раби разработва методика за измерване на ядрените магнитни моменти, но при неговия метод образецът се изпарява, а самият той не е много точен. През 1946 г. Блох предлага метод, който се отличава с висока точност и не поврежда образеца. Макар че е известен с много достижения в областта на физиката, Блох е удостоен с Нобелова награда именно заради тази методика.

Когато атомът се намира в магнитно поле, магнитният момент на ядрото му заставя ядрото да прецесира (ефект, аналогичен на действието на силата на тежестта на въртящ се пумпал, която кара оста му да се люлее). Честотата, или скоростта на прецесия на ядрото зависи от величината на магнитното поле и от магнитния момент на ядрото. Така, ако е известна силата на полето и се определи честотата на прецесия, може да се изчисли магнитният момент. За да определи честотата на прецесия, Блох помества образеца от изследвания материал в магнитното поле на мощен електромагнит, принуждавайки ядрото на образеца да прецесира с постоянна скорост. След това възбужда образеца с много по-слабо магнитно поле, управлявано с радиосигнали; второто поле флуктуира (изменя направлението) с честота, съответстваща на честотата на управляващите радиовълни. Когато честотата на възбуждащото поле стане равна на прецесионната честота на ядрото, ориентацията на ядрения спин внезапно става противоположна – този лесно откриваем ефект се нарича ядрен магнитен резонанс (ЯМР). Известната честота на радиосигналите, съответстваща на резонанса, е равна на честотата на прецесия на ядрото. Като се знае точната честота на прецесия на ядрото в полето на зададеното напрежение, може да се определи магнитният момент на това ядро с необичайна точност. Методът на Блох дава на физиците, които изследват атомните ядра, точна и много желана информация, като при това образецът изобщо не се поврежда. Нещо повече, с помощта на този метод става възможно съвсем по нов начин и много просто де се измерва магнетизмът: стане ли ясен магнитният момент на ядрото, той може да бъде използван за определяне на напрежението на магнитното поле.

По това време Едуард М. Пърсел (който също се занимава с радарите през войната) изследва същия проблем. Едновременно и независимо той създава методика за измерване на ядрените магнитни моменти, която е почти идентична с методиката на Блох. Като използва метода на ЯМР, Пърсел открива, че водородът излъчва сигнал в радиочестотния диапазон (откритие, което довежда до развитие на радиоастрономията).

С помощта на ЯМР изследователите откриват, че магнитният момент на атомното ядро в молекулата се променя под въздействието на магнитните полета на околните електрони. Именно тези промени дават ключа за строежа на молекулите и ЯМР става бързо един от най-важните аналитични инструменти в химията. Нещо повече, измерванията с помощта на ЯМР не засягат изобщо образеца и те могат да се провеждат с живи организми, без да ги увреждат. Начините и методите за изчисляване, използвани в компютърната томография (томографите са разработени от Алън Кормак и Годфри Хаунсфилд, започват да се обединяват през 70-те години с ЯМР методиката за наблюдение; в резултат от това се появяват сканиращи ЯМР устройства, позволяващи да се наблюдават специфични химически реакции в човешкото тяло. Оказва се, че тези устройства имат огромно значение за научните изследвания и са мощен инструмент в медицинската диагностика. Диагностичните сканиращи ЯМР устройства стават достъпни за работа в медицината в средата на 80-те години.

Повечето изследвания на Блох след 1946 г. са свързани предимно с ЯМР или, както той първоначално го нарича, „ядрената индукция“. През 1954-1955 г. той си взема двегодишен отпуск от Станфорд, за да стане генерален директор на ЦЕРН (Европейския център за ядрени изследвания) в Женева (Швейцария). През 1963 г. става професор по физика в Станфорд. След оставката си през 1971 г. се връща в Цюрих, където умира дванадесет години по-късно.

През 1940 г. Блох се жени за Лора К. Миш, физичка и също бежанка от Германия; семейството има трима сина и една дъщеря. Ученият става гражданин на САЩ през 1939 г.

Блох е член на американската Национална академия на науките, на Американската академия на науките и изкуствата, на Швейцарската академия на природните науки и на Американското физическо дружество, чийто президент е през 1965 г.

Превод от руски: Павел Б. Николов