磁共振的研究

1946年，瑞世科学家布洛赫（F.Bloch）在斯坦福大学研究核磁感应，他正是因为这项发现后来在1952年与珀赛尔（E.M.Pur−cell）共获诺贝尔物理奖。实验中他和他的合作者观察到了粒子数反转的信号。他报告说①：“正如我们所期望的……信号一直保持原来的正值。然而几秒钟后信号变小了，消失了，然后以负值出现，又过了几秒钟达到最大的负值。在外界条件固定的情况下出现信号的异常逆转表示质子自旋重新取向的渐变过程”。布洛赫一心想的是如何精确测定原子的弛豫时间，没有把这一新现象联系到集居数问题，更没有想到要利用这一现象来实现粒子数反转。直到1958年才有人重新研究并运用于二能级固体微波激射器。
     1947年，兰姆（W.E.Lamb,jr.）和雷瑟福（R.C.Retherford）在关于氢的精细结构的著名论文中加有一个附注，指出通过粒子数反转可以期望实现感应辐射（即受激辐射）。1973年，兰姆回顾往事时写道②“当时负吸收的概念对我们来说是新颖的，我们又不知道先前的文献……我们没有把负吸收与自持振荡联系到一起。”“不过，即使我们这样做了，至少还有三个因素会使我们发明不成脉塞：1.我们的兴趣集中在氢的精细结构上，2.预期的吸收（增益）很小，其正负可疑，3.在我们用的频率上很容易实现振荡。”1948年，核磁共振的另一位发现者珀赛尔有意识地研究了磁场中各子能级的集居数。1951年他和合作者第一次在实验中实现了粒子数反转，观察到了负吸收。
     他们首先提出了负温度的概念。珀赛尔发现LiF晶体在50kHz附近会产生零场谐振，时间很长。于是将这晶体置于磁场中并突然令磁场反向，反向的时间比自旋−点阵的弛豫时间要短得多。因此在磁场换向时，核自旋的组态还来不及改变，这时就发生了负吸收（即辐射）。记录的是一份典型的实验曲线。最左边的峰是正常的谐振曲线。磁场换向后，第二个谐振峰向下，就相当于负吸收。负峰越来越小，直到被正吸收抵消，最后回到正值。这时，高能级和低能级集居数相等。逐渐增加的正峰表示重建热平衡分布。
     1949年，法国物理学家卡斯特勒（A.Kastler）发展了光泵方法，为此他获得了1971年诺贝尔物理奖。所谓光泵，实际上就是利用光辐射改变原子能级集居数的一种方法。他原来的目的是要建立一种用光探测磁共振的精密测量方法，没有想到可以实现粒子数反转，更没有想通过这一途径进行光的放大。不过，他的工作为以后的固体激光器提供了重要的抽运手段。
     由于第二次世界大战中雷达得到广泛运用，微波技术发展很快，微波器件充分发展，磁共振方法因而得到研究，光泵方法也大显身手。微波波谱学发展起来了，也就为发明微波激射放大器（脉塞）准备了充分条件。1952年，韦伯（F.Weber）在著名光谱学家赫兹堡（G.Herzberg）主持的受激辐射讨论会上得到启示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想。他提出了微波激射器的原理。韦伯的方法后来并没有实现，但是他的论文对汤斯（C.Townes）产生了影响。