1944年诺贝尔物理奖 ——原子核的磁特性121 1944 年诺贝尔物理奖—— 原子核的磁特性1944 年诺贝尔物理奖授予美国纽约州纽约市哥伦比亚大学的拉比（Isidor Isaac Rabi ，1898—1988） ，以表彰他用共振方法记录了原子核的磁特性拉比的最大功绩是发展了斯特恩的分子束方法，并用之于磁共振 分子束磁 共振在研究原子和原子核特性方面有独特的功能，后来形成了一系列物理学分 支他是斯特恩的学生，曾在1927 年到汉堡斯特恩的实验室里学习他深深地 被分子束和原子束的实验方法所吸引，这种方法是斯特恩开创的， 斯特恩和盖拉 赫在 1922 年用这种方法发现了空间量子化，得到了广泛赞誉拉比在那里工作 了一年，做了很多实验， 用分子束和原子束方法研究分子和原子现象拉比在欧 洲各地学习了两年， 除了斯特恩以外， 还向许多著名科学家求教， 其中有索末菲、 玻尔、泡利和海森伯他采用一种使原子束（分子束）偏转的新方法，使原子磁 矩的测量达到更高的精确度在他1929 年返回美国后，他用这种方法研究原子 能级的超精细结构他和他的学生科恩（V.Cohen）用一复杂的偏转系统，利用 在弱磁场中钠原子束的选定部分偏转，演示了钠实际上有四个超精细子能级，由 此确定了钠原子核的自旋为h/2π 的3/2倍。
这些方法后来进一步发展为零矩方法， 零矩方法就是取磁场的某一定值使原子的总矩等于零，因此当原子束通过非均匀 磁场时处于这种状态的原子不会被偏转这一方法既可以测量自旋， 也可以测量 超精细结构常数，由此即可计算出核磁矩来核磁矩的研究在原子核物理学中占有非常重要的地位它是描述原子核的电 磁特性和内部结构不可少的基本概念自从1911年卢瑟福根据 α粒子大角度散 射实验提出原子中有核以来， 人们就认识到原子核具有内部结构，可以看成是一 个电性的力学系统泡利为了解释原子光谱的超精细结构，1924 年提出核自旋 的概念，并把超精细结构看成是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果，从原 子光谱的超精细结构可以推算原子核的自旋角动量和磁矩，但是不够精确根据狄拉克理论， 可以预言原子核的磁矩 他是这样分析的： 既然中子不带 电，中子的磁矩应为零；而电子与质子电荷绝对值相等，电子定的回答这是斯特恩对核磁矩的研究作出的重大贡献1926 年，斯特恩提出可用分子束实验测定核磁矩1933 年，他与弗利胥、 爱斯特曼（I.Estermann）等用分子束实验装臵测量了氢核（质子）和氘核的磁矩 结果表明：质子磁矩比狄拉克理论预言的大2.5 倍左右，而氘核磁矩则介乎0.5 到 1 个核磁子之间。
由于氘核是由质子和中子组成， 从而显示了中子磁矩的存在 斯特恩第一次直接地测定了质子的磁矩，但其结果还不够精确，误差约为10％， 他的实验方法也有待于完善 接着对核磁矩进行精确测量的是拉比拉比受到荷1944年诺贝尔物理奖 ——原子核的磁特性122 兰物理学家哥特（ C.J.Gorter）的启发，于 1938 年把射频共振法应用于分子束技 术，创立了分子束共振法这里先对哥特的工作作一点介绍哥特是一位出色的物理学家， 其主要研究 领域是磁性和超导 1936 年他进行过一个原子核磁共振吸收实验，其目的是想 通过这个实验观测核磁矩对电磁波的吸收，从而研究弛豫过程 他使用量热器测 量氟化银晶体中的7Li 核以及钾钒中的1H 核对电磁波的共振吸收，但没有取得成功实验的失败并不是由于物理思想不正确，也不是仪器灵敏度不够， 主要是 由于所选的样品太纯，弛豫时间过长的缘故拉比从哥特的实验得到重要启示， 创立了分子束磁共振方法拉比利用共振现象促使超精细结构之间、塞曼能级之间或能级组合之间产生 跃迁这一方法实质上就是在试品上加一射频以引起能级之间的跃迁，或者是通 过吸收，或者是通过受激辐射， 从而测量其超精细结构。
原子束或分子束需通过 一均匀磁场， 并且有一弱振荡磁场垂直于均匀静磁场的方向上当振荡场的频率 达到由玻尔条件（ W1-W2/h＝ν12）的跃迁频率时，就会引起从能态1 到能态 2 的 跃迁，反之亦然分子束共振法的实验原理如图44－1 所示由炉子蒸发产生分子 束（或原子束），分子束（或原子束）从左边狭缝O 发出，在D 处安放用力假如粒子在两区通过时核磁矩的空间取向不改变，则可选取B 场的 数值使它产生的偏转补偿A 场的偏转，分子束可进入探测器内，现在在磁铁A 与 B 之间设臵第三个磁铁C，产生均匀的恒定磁场H0，则这个区不会改变分子 束原来的轨道但如果在磁铁C两极之间再设置一个垂就会产生共振现象， H1使核磁矩的取向改变，分子束便偏离原来的轨道而 不能到达探测器（如虚线所示） 只要精确测定共振时的频率和磁场，就可以从 上式求得核磁矩 μ或核的 g 因子（由关系式 μ ＝gI μN ，当 g 值确定时则 μ值也确 定） 当时测量频率已达到很高的精确度，是用外差式频率计测量，误差不超过 0.03％；测量磁场的误差不超过0.5％，所以核磁矩的精确度可达千分之几，比1944年诺贝尔物理奖 ——原子核的磁特性123 斯特恩等人的结果提高了两个数量级。
这一成果初步显示了分子磁共振方法的优 越性分子束磁共振方法后来推广并取得了广泛的应用，例如在原子钟、 核磁共振 乃至于微波激射器和激光器中， 都用到了这种方法 运用这些方法所导致的最有 意义的发现是电子的反常磁矩、氘核的四极矩以及与真空极化有关的兰姆位移为了表彰斯特恩和拉比的科学功绩， 他们两人先后于 1943 年和 1944 年分别 获得了诺贝尔物理学奖拉比 1898 年 7 月 29 日出生于奥地利的莱曼诺夫（Raymanov ） ，次年随父母 到了美国，早期就学于纽约市，1919 年在纽约的康奈尔大学获化学学士学位 后来他从事过三年非科学的职业，于1922 年开始在康奈尔大学当物理专业的研 究生，后转到哥伦比亚大学继续当研究生1927 年在哥伦比亚大学以 “ 晶体的主 磁导率 ” 获博士学位从此拉比就长期工作于直接或间接与磁场有关的领域在 其博士论文中， 他发明了一种新颖而简单的方法，用以确定单晶的感应椭球， 由 此可以得到极高的精确度这一方法后来成了磁化学的基础印度的克利希南 （Krishnan）和他的学派在这方面开展了一系列的研究1927 年起拉比获哥伦比亚大学巴纳德（Barnard）奖学金，到汉堡斯特恩实 验室工作。
拉比 1929年返回美国后， 被任命为哥伦比亚大学的理论物理学讲师， 1937 年经过几次提升成为教授1940 年，拉比借学术休假到马萨诸塞州坎伯利 基的麻省理工学院， 当上了该校辐射实验室的副主任，这个实验室的任务是研制 雷达和原子弹 从 1940年到 1945年，拉比参与军事研究， 他主要从事微波雷达 研究这项工作自然是先前分子束实验研究的继续在战后年代里， 拉比从事政 治和教育诸方面的研究， 特别是参与了研制原子武器和其它大规模破坏手段他 在 1946 年至 1956 年期间是原子能委员会的总顾问委员会成员，并当了 4 年该委 员会的主席 有一段时间还当过美国总统科学顾问委员会主席他作为联合国教 科文组织，积极发起国际间合作以进行大规模高能物理实验室的建设，例如欧洲 核子研究中心（ CERN）的创建他还是长岛的布鲁克海文原子能研究国家实验 室的奠基人之一他在那里参加了和平利用原子能的研究拉比于 1945 年战争快结束时在哥伦比亚大学当物理系主任，并运用他的影 响使该系在高能物理和微波技术方面处于领先地位1964 年拉比在哥伦比亚大 学成为第一位全校性教授1988年 1 月 11日他在纽约逝世，享年90 岁。