1961年诺贝尔物理学奖

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1、1961 年诺贝尔物理学奖1961年的物理学奖，由两位物理学家分享，他们是德国 的鲁道夫穆斯堡尔(Rudolf L.Mossbauer)和美国的罗伯 特霍夫斯塔特(Robert Hofs tad ter)。穆斯堡尔发现了Y 射线无反冲发射与共振吸收效应(穆斯堡尔效应)；霍夫斯塔 特进行了电子对原子核散射的先驱性研究，并由此发现了原 子核的结构。鲁道夫路德维格穆斯堡尔(Rudolf Ludwig Mossbauer, 19292011)，生于慕尼黑的一个技术员家庭，父亲是一位光 学技师。穆斯堡尔中学毕业后，在慕尼黑一家光学仪器厂做 了几个月的实验室助理。后来，他进入慕尼黑工业大学学习 物理。19

2、52年，通过中期考试后，继续在该校的应用物理研 究所做毕业论文，同时担任数学助教的工作。他的导师梅厄 穆莱布尼兹(Meier Leibnitz)引导他关注当时尚未解决 的原子核共振荧光这一领域，鼓励他从中选择研究课题。1955 年，他取得硕士学位后，成为莱布尼兹的博士研究生，得以 继续继续从事该领域的研究。在随后的三年内，穆斯堡尔发 现了“无反冲原子核的Y射线共振吸收”现象，人们称之为 穆斯堡尔效应。1961年，穆斯堡尔因研究经费削减和管理上 的问题离开慕尼黑，前往美国加州理工学院任教。1965年回 到慕尼黑，任慕尼黑大学物理学教授。穆斯堡尔后来转到其 他领域研究，他后期的兴趣和精力主要集中在

3、基础核物理问 题，特别是中子物理。2011年在慕尼黑逝世。穆斯堡尔效应的原理并不复杂。以无线电报的收发为例， 只有当接收器的频率调谐到和发报机的频率相同时，才能接 收到入射的无线电信号，在这时共振发生了。理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个Y射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时，就能 够被共振吸收。但是实际情况中，处于自由状态的原子核要 实现上述过程是困难的。因为原子核在放出一个光子的时候 自身也具有了一个反冲动量，这个反冲动量会使光子的能量 减少。同样原理，吸收光子的原子核由于反冲效应，吸收的 光子能量会有所增大。这样造成相同原子核的发射谱和吸收 谱有一定差异，所以自由的

4、原子核很难实现共振吸收。迄今 为止，人们还没有在气体和不太粘稠的液体中观察到这一现 象。1957年底，穆斯堡尔提出实现Y射线共振吸收的关键在 于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光子的原子核 置于固体晶格中，那么出现反冲效应的就不再是单一的原子 核，而是整个晶体。由于晶体的质量远远大于单一的原子核 的质量，反冲能量就减少到可以忽略不计的程度，这样就可 以实现穆斯堡尔效应。穆斯堡尔使用i9i0s （锇）晶体作Y射 线放射源，用“（铱）晶体作吸收体，于1958年首次在实 验上实现了原子核的无反冲共振吸收。为减少热运动对结果 的影响，放射源和吸收源都冷却到88K。放射源安装在一个转 盘上，可以相

5、对吸收体作前后运动，用多普勒效应调节Y射 线的能量1910s经过B-衰变成为191Ir的激发态，19iIr的激 发态可以发出能量为129 keV的Y射线，被吸收体吸收。实 验发现，当转盘不动，即相对速度为0时共振吸收最强，并 且吸收谱线的宽度很窄，每秒几厘米的速度就足以破坏共振。 除了 191Ir 外，穆斯堡尔还观察到了 187Re、177Hf、166Er 等原子 核的无反冲共振吸收。穆斯堡尔的发现是20 世纪标志性的物理实验之一，是穆 斯堡尔谱学的中心原理，在物理学、化学、生物化学、冶金 学和矿物学中都有重要的应用。在论文发布的仅仅 3 年之后， 即 1961 年，穆斯堡尔就因这一发现获得了

6、诺贝尔物理学奖 获奖时年仅 32 岁，是历史上第三年轻(前两名分别是 1915 年的小布拉格和1957 年的李政道)的物理学奖得主。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细 相互作用，是一种非常精确的测量手段，其能量分辨率可高 达 10-13，并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对 样品无破坏。由于这些特点，穆斯堡尔效应一经发现，就迅 速在物理学、化学、生物学、冶金学、矿物学、地质学等领 域得到广泛应用。近年来穆斯堡尔效应也在一些新兴学科， 如材料科学和表面科学开拓了应用前景。历史上，应用穆斯堡尔效应首先对引力红移进行了精密 测量。引力引起的红移量一般小于10-10数量级，相对论

7、预言， 由于地球上不同高度引力势能不同，会引起光子离开地球时 在不同高度的频率不同，相差 20 米带来的频率测量变化为 2X10-i5 1960年，庞德和里布卡利用穆斯堡尔效应测量到了 这个微小的变化。1970年，伊萨克(G.R.Isaak)利用穆斯 堡尔效应测量了地球相对于以太的速度，基本证实了不存在 地球相对于以太的运动，从而验证了迈克尔逊-莫雷实验。截至 2005 年上半年，人们已经在固体和粘稠液体中实现 了穆斯堡尔效应，样品的形态可以是晶体、非晶体、薄膜、 固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等，涉及40 余种元素90 余种同位素的 110 余个跃迁。然而大部分同位素只能在低温 下才能实现

8、穆斯堡尔效应，有的需要使用液氮甚至液氦对样 品进行冷却。在室温下只有57Fe、ii9Sn、i5iEu三种同位素能够 实现穆斯堡尔效应。其中57Fe的14.4keV跃迁是人们最常用 的、也是研究最多的谱线。罗伯特霍夫斯塔特(Robert Hofs tad ter, 19151990), 生于美国纽约一个犹太人家庭。上学后他勤奋好学，一直是 学校的优等生，多次获得奖学金。1935 年以最优等成绩毕业 于纽约市立学院，随后在普林斯顿大学攻读研究生，于 1938 年获得博士学位。还在学生时代，他就对红外线光谱和闪烁 计数器进行过研究。 1 940年 1 946年，先后在宾夕法尼亚大 学哈里森研究所，美

9、国国家标准局、纽约诺尔登实验室等部 门从事研究。1946 年，去普林斯顿大学任教，同时继续从事 红外线、光电导性、晶体、闪烁计数器的研究。1950 年，开 始在斯坦福大学执教。在斯坦福大学期间，霍夫斯塔特有机会使用大型的“直 线加速器”。直线加速器不同于使粒子作螺旋运动的劳伦斯 回旋加速器，也不同于使粒子作圆周运动的克斯特电子感应 加速器，它按直线方向不断加速粒子。由于在直线方向加速 时，质量的相对论增加不会影响加速工作，所以直线加速器 可以用比电子感应加速器更为简单的方式产生很高能量的电 子。霍夫施塔特研究了原子核对高能电子的散射效应，并由 这些效应得到了有关原子核深层结构的知识。电子的能量

10、越 高、在弹回或转向以前，就越能接近原子核，这样就能提供 更为详尽的信息。 1960年，他已利用能量足够的电子“看” 到了单个质子和中子的内部。1961年，他提出质子和中子都 是由带正电荷的中心核和围绕它的两层介子壳层所组成。对 质子来说，两层介子壳都带正电荷。对中子来说，其中一层 带负电荷，这样总量为零。通过进一步观察，霍夫施塔特又 推论可能存在质量更大的介子，他称之为P介子和Q介子。 之后不久，这两种介子就被人们发现，它们的寿命极短。Q 介子在10-2秒5 内便会衰变。霍夫施塔特的工作使人类在逐步深入认识微观世界的本 质内容上又有所前进。道尔顿提出物质是由原子组成，门捷 列夫发现由原子组成的元素之间的规律，使人们对化学知识 有了深入的理解。卢瑟福等物理学家对原子结构的推断和阐 述，又使人们得到更进一步的理解。然而，到了20世纪中期， 被发现的亚原子粒子越来越多，但它们之间的关系还不甚明 了。霍夫施塔特和盖尔曼（Murray Gell-Mann， 1969年诺贝 尔物理学奖得主）一样，正是这方面研究的先驱。