Феликс Блох

Феликс Блох — швейцарский и американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (совместно с Эдвардом Миллсом Парселлом) за разработку новых методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и связанные с этим открытия. Внёс фундаментальный вклад в физику твёрдого тела, квантовую механику и теорию магнетизма. Известен как автор концепции блоховских волн, описывающих поведение электронов в периодическом потенциале кристаллической решётки.

Биография

Ранние годы и образование

Феликс Блох родился 23 октября 1905 года в Цюрихе, Швейцария, в семье Густава Блоха, оптового торговца зерном, и Агнес Блох (урождённой Майер). Семья была еврейского происхождения. Учился в Цюрихском политехникуме (современный ETH Zurich), где в 1924 году получил диплом инженера-физика. Продолжил образование в Лейпцигском университете под руководством Вернера Гейзенберга, где в 1928 году защитил докторскую диссертацию на тему «К квантовой механике электронов в кристаллических решётках».

Научная карьера в Европе

После защиты диссертации Блох работал ассистентом в Лейпцигском университете, затем в 1929—1930 годах — в Гёттингенском университете. В 1930—1931 годах стажировался в Копенгагенском университете у Нильса Бора, а затем в Римском университете у Энрико Ферми. В 1932 году вернулся в Лейпциг, где получил должность приват-доцента. В 1933 году, после прихода к власти нацистов, из-за еврейского происхождения был вынужден покинуть Германию.

Эмиграция и работа в США

В 1934 году Блох эмигрировал в США. Сначала работал в Стэнфордском университете, где в 1936 году стал профессором физики. В 1938 году получил американское гражданство. Во время Второй мировой войны участвовал в Манхэттенском проекте в Лос-Аламосе, где занимался разработкой ядерных реакторов и исследованиями по делению урана. После войны вернулся в Стэнфордский университет, где продолжил исследования в области ядерного магнитного резонанса. В 1954—1955 годах занимал пост генерального директора ЦЕРНа (Европейской организации по ядерным исследованиям). Умер 10 сентября 1983 года в Цюрихе.

Научные достижения

Блоховские волны и зонная теория

В своей докторской диссертации (1928) Блох разработал математическое описание движения электрона в периодическом потенциале кристаллической решётки. Решения уравнения Шрёдингера для такой системы получили название блоховских волн (или функций Блоха). Они имеют вид: \[ \psi(\mathbf{r}) = e^{i\mathbf{k} \cdot \mathbf{r}} u(\mathbf{r}) \] где \( u(\mathbf{r}) \) — периодическая функция с периодом решётки, а \( \mathbf{k} \) — волновой вектор. Этот результат стал основой зонной теории твёрдых тел, объясняющей существование проводников, полупроводников и диэлектриков.

Теория магнетизма

В 1932 году Блох опубликовал работу «К теории ферромагнетизма», в которой ввёл понятие спиновых волн (магнонов) — коллективных возбуждений магнитной системы. Он показал, что при низких температурах намагниченность ферромагнетика убывает пропорционально \( T^{3/2} \) (закон Блоха). Также разработал теорию доменной структуры ферромагнетиков и предсказал существование блоховских стенок — переходных областей между магнитными доменами.

Ядерный магнитный резонанс

В 1945 году Блох совместно с Уильямом Хансеном и Мартином Паккардом разработал метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В отличие от метода Парселла, основанного на поглощении радиочастотного излучения, метод Блоха (метод индукции) регистрировал сигнал, индуцированный прецессирующими ядерными магнитными моментами в катушке, расположенной перпендикулярно постоянному магнитному полю. Это позволило измерять магнитные моменты ядер и изучать структуру вещества на молекулярном уровне. За эту работу в 1952 году Блох и Парселл были удостоены Нобелевской премии по физике.

Другие работы

• Теорема Блоха: утверждение о том, что в периодической решётке волновая функция электрона имеет вид блоховской волны.
• Уравнение Блоха: феноменологическое описание динамики ядерной намагниченности в магнитном поле, включающее релаксационные члены.
• Время релаксации Блоха: параметры \( T_1 \) (продольная релаксация) и \( T_2 \) (поперечная релаксация), используемые в ЯМР и МРТ.
• Блоховский осциллятор: модель квантового осциллятора, применяемая в теории сверхрешеток.

Применение и значение

Ядерный магнитный резонанс

Метод ЯМР, разработанный Блохом, лёг в основу:

• Магнитно-резонансной томографии (МРТ) — медицинского метода визуализации внутренних органов, использующего явление ЯМР.
• ЯМР-спектроскопии — метода анализа химической структуры молекул, широко применяемого в химии, биохимии и материаловедении.
• Квантовых вычислений — некоторые архитектуры квантовых компьютеров используют ядерные спины в качестве кубитов.

Физика твёрдого тела

Концепции Блоха (блоховские волны, зонная структура, спиновые волны) являются фундаментальными для современной физики конденсированного состояния. Они используются при проектировании полупроводниковых приборов, лазеров, магнитных запоминающих устройств и сверхпроводников.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1952, совместно с Э. М. Парселлом)
• Медаль Лоренца (1952)
• Член Национальной академии наук США (1948)
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1965)
• Почётный доктор многих университетов, включая Гарвардский, Оксфордский и Цюрихский

Интересные факты

• Блох был одним из первых физиков, применивших квантовую механику к проблемам магнетизма.
• Во время работы в ЦЕРНе он участвовал в проектировании первого в мире протонного синхротрона.
• В честь Блоха назван кратер на Луне (Bloch) и минерал блохит.
• Его сын, Джордж Блох, стал известным математиком.

Основные публикации

• Bloch F. Über die Quantenmechanik der Elektronen in Kristallgittern // Zeitschrift für Physik. — 1928. — Bd. 52, № 7–8. — S. 555–600.
• Bloch F. Zur Theorie des Ferromagnetismus // Zeitschrift für Physik. — 1932. — Bd. 74, № 5–6. — S. 295–335.
• Bloch F., Hansen W. W., Packard M. Nuclear Induction // Physical Review. — 1946. — Vol. 69, № 3–4. — P. 127–129.

Источники

• Феликс Блох — биография на сайте Нобелевского комитета
• Феликс Блох // Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. — М.: Прогресс, 1992
• Kittel C. Introduction to Solid State Physics. — 8th ed. — Wiley, 2005
• Mehra J., Rechenberg H. The Historical Development of Quantum Theory. — Springer, 2001