История развития ЯМР-спектроскопии

До недавнего времени основой наших представлений о структуре атомов и молекул служили исследования методами оптической спектроскопии. В связи с усовершенствованием спектральных методов, продвинувших область спектроскопических измерений в диапазон сверхвысоких (примерно 103 — 106МГц; микрорадиоволны) и высоких частот (примерно 10−2 — 102 МГц; радиоволны), появились новые источники информации о структуре вещества. При поглощении и испускании излучения в этой области частот происходит тот же основной процесс, что и в других диапазонах электромагнитного спектра, а именно при переходе с одного энергетического уровня на другой система поглощает или испускает квант энергии. Разность энергий уровней и энергия квантов, участвующих в этих процессах, составляют около 10−7 эВ для области радиочастот и около 10−4 эВ для сверхвысоких частот. Существование ядерных моментов впервые было обнаружено при изучении и сверхтонкой структуры электронных спектров некоторых атомов с помощью оптических спектрометров с высокой разрешающей способностью. Сверхтонкая структура атомных спектров навела Паули в 1924 г. на мысль о том, что некоторые ядра обладают моментом количества движения (угловым моментом), а, следовательно, и магнитным моментом, взаимодействующим с атомными орбитальными электронами. Впоследствии эта гипотеза была подтверждена спектроскопическими измерениями, которые позволили определить значения угловых и магнитных моментов для многих ядер В 1921 г. Штерн и Герлах методом атомного пучка показали, что измеримые значения магнитного момента атома дискретны квантованию атома в неоднородном магнитном поле. В последующих экспериментах, пропуская через постоянное магнитное поле пучок молекул водорода, удалось измерить небольшой по величине магнитный момент ядра водорода. Дальнейшее развитие метода состояло в том, что на пучок воздействовали дополнительным магнитным полем, осциллирующим с частотой, при которой индуцируются переходы между ядерными энергетическими уровнями, соответствующими квантовым значениям ядерного магнитного момента Первые успешные наблюдения ЯМР такого В 1936 г. Горнер пытался обнаружить резонанс ядер Li7 во фтористом литии ядер H1 в алюмокалиевых квасцах. Другая безуспешная попытка была предпринята Гортнером и Бруром в 1942 г. Регистрацию поглощения высокочастотной энергии при резонансе в этих экспериментах предполагалось производить соответственно калориметрическим методом и по аномальной дисперсии. Основной причиной неудач этих опытов был выбор неподходящих объектов. Лишь в конце 1945 года двумя группами американских физиков под руководством Ф. Блоха и Э.М. Пурселла впервые были получены сигналы ядерного магнитного резонанса. Блох наблюдал резонансное поглощение на протонах в воде.

Феликс Блох (23 октября 1905, Цюрих — 10 сентября 1983, Цюрих) — швейцарский физик еврейского происхождения, работавший главным образом в США. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1952 год.

Ф. Блох родился в Цюрихе (Швейцария). Высшее образование получил в высшей технической школе Цюриха. Поступал на инженерное отделение, но вскоре перешел на физическое. Получив диплом в 1927 г., он продолжил обучение в Лейпцигском университете. Где получил докторскую степень (она эквивалентна кандидату физико-математических наук) в 1928 г. Затем он продолжил заниматься наукой в Германии вместе с Гейзенбергом, Паули, Бором и Ферми. В 1933 г. он покинул Германию и эмигрировал в США, чтобы начать в 1934 г. работу в Стэндфордском университете. В 1939 г. он стал натурализованным гражданином США. Во время второй мировой войны он работал над атомным проектом в национальной лаборатории Лос-Аламоса, но впоследствии перешел в радарный проект в Гарвардском университете. После войны он сконцентрировался над работами в области ядерной индукции и ядерного магнитного резонанса — основополагающими принципами ядерной магнитной томографии. В 1952 г совместно с Э. М. Пурселлом он был удостоен Нобелевской премии по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». В 1954—1955 годах он был первым генеральным директором ЦЕРНа. В 1961 г. он стал профессором физики в Стэнфордском университете. Эдвард Миллс Пурселл (30 августа, 1912, Тэйлорвиль, США — 7 марта, 1997, Кембридж (Массачусетс), США) — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1952 г. (совместно с Феликсом Блохом) «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия» .

Пурселл получил степень бакалавра по электрическому инженерному делу в университете Пердью. Степени магистра и доктора по физике он получил в Гарвардском университете. Во время Второй мировой войны работал в МТИ в лаборатории излучений над развитием СВЧ радара. После войны Пурселл возвращается в Гарвард. В 1945 г., вместе со своими коллегами Паундом и Торри, открывают явление ядерного магнитного резонанса. Пурселл также внёс вклад в астрономию. Он впервые зарегистрировал радиоизлучение нейтрального водорода в космосе (излучение с длиной волны 21-см), при помощи которого удалось впервые взглянуть на спиральные рукава Млечного пути. Этот метод до сих пор является одним из самых важных в радиоастрономии. Кроме того он внёс значительный вклад в физику твёрдого тела — изучением релаксации спинового эха, релаксации ядерного магнитного момента, отрицательной спиновой температуры. Совместно с Норманом Рамзеем он был первым, кто поставил под сомнение правильность CP-симметрии в физике элементарных частиц.

Пурселл получил много наград за свою научную, образовательную и гражданскую работу. Он был научным советником президентов Дуайта Эйзенхауэра, Джона Кеннеди и Линдона Джонсона. Пурселл был президентом Американского физического общества, членом Американского философского общества, членом академии наук США, членом Американской академии наук и искусств. В 1979 г. Пурселл был награждён национальной медалью науки (США). 5].