瑞廷 asked in 科學其他:科學 · 2 decades ago

1971的諾貝爾物理學獎得主是誰?

並請告訴我內容主要在講什麼?

可以得話麻煩稍微講解

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  • 2 decades ago
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    1971Dennis Gabor ( D.加柏,1900-1979 )匈牙利裔英國物理學家,全像術(全息攝影法) (Holography) 的發明與發展    

    圖片參考:http://www2.nsysu.edu.tw/optics/holography/holo.JP...

       2.架設順序: 固定雷射(→調整反射鏡)→調整分光鏡→架設物体光反射鏡→ 架設參考光反射鏡→放置底片架和物体→調整光程光路→ 調整空間濾波器及衰減器   六.實驗步驟 (A). 學習調整光學系統 (1)儀器架設: 1.在光學桌上固定好雷射,(調整 Mirror 1)使雷射光通過 BS(分光鏡)   分為物体光和參考光。 2.架上物体光和參考光光路中的反射鏡和 Spatial Filter。 3.架上底片架,調整 Mirror 2,使參考光均勻地落在底片上。 4.放進欲拍攝之目標物,並使物体光打到物体後的散射光大部份都落到底片上。 5.調整光路使物体光和參考光自 BS 到底片的光程相同。 6.調整 Spatial Filter(空間濾波器)確定通過濾波器的雷射光有完全打開。 7.調整衰減器使參考光和物体光強度比為 3:1。 8.準備進行拍攝。拍攝前請助教過來檢查。   (B). 拍攝全像片 1. 不關燈,睜開眼睛練習拍攝過程。     詳細拍攝過程! 2. 不關燈,閉著眼睛練習拍攝過程。 注意:底片曝光時,一切震動都將使實驗失敗。 可利用輪胎、特別的彈簧、油壓等防震裝置。 且氣流的影響也不可忽略,拍攝時不可說話, 呼吸也要放輕;更重要的是冷氣關閉後,稍等 2分鐘再開始拍攝,因為房間內溫度的不均勻也 會造成氣流。 3. 關燈,練習拍攝過程。 4. 拍攝前最後討論。     詳細拍攝過程! 5. 關空調,開始拍攝。 6. 沖洗底片。     詳細沖洗過程! 7. 待底片乾燥後,將底片插回底片架中,遮住物體光,    只讓參考光照射在底片上。 8. 關燈,觀察底片中的影像。 9. 繼續進行第二張的拍攝。   七.問題與討論 1.全像攝影和一般攝影有何不同?請就 攝影技術、記錄方式、   觀察方法等加以解釋。 2.為何使用空間濾波器? 3.請就此次實驗分析成功或失敗的原因及改進方法。 參考資料 A.全像片的規格  *Sheet(片)   (1)4-inch  sheets ( 25 sheets  per  packge )   (2)Minimum  order  quantity  is  one  package  *Roll(卷)   (1)35mm 150foot   (2) Minimum  order  is  one  roll 2. 顯影劑藥粉: Kodak XTOL型號:CAT 875 1752  中正路大勇路圓環處 柯達行 NT$320 B.藥水配置 1.顯相劑配置:  (顯像劑:Kodak XTOL CAT 875 1752照片行)    300 ml的RO水──加入 4.42 克的A種藥粉,攪拌均勻            ──加入 2.66 克的B種藥粉,攪拌均勻            *A種藥粉總重73.7 克,B種藥粉總重44.4 克,可配5公升。 2.定影劑配置:     300 ml的RO水──加入65.7g 的藥粉,攪拌均勻         3.冰醋酸配置:    500 ml的RO水──加入3 ml的冰醋酸,攪拌均勻。

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    2 decades ago

    核磁共振學的通才──1991年諾貝爾化學獎得主

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    去年十月十七日在瑞士蘇黎世往日內瓦的火車上翻看報紙,得知哈佛同事柯雷(E. J. Corey)獨享1990年諾貝爾化學獎的消息,興奮無比,下了火車便立刻送了一個賀電給他。那天正好是參觀完在蘇黎世瑞士聯邦技術學院(ETHZürich)(註一)的李察.恩斯特(Richard R. Ernst)實驗室的第二天。還記得我和恩斯特在猜測誰會拿到當年的諾貝爾化學獎。我說柯雷已經等了非常多年,不知是不是因為他是黎巴嫩裔而被忽略,實在也該給他了;1982年諾貝爾生理醫學獎給了分離及合成攝護腺素的三位生物醫學家:柏格斯壯(S. Bergstrom)、山妙遜(B.I. Samuelsson)及范恩(J. R. Vane),竟然沒把在這方面也貢獻非凡,不亞於此三位的柯雷考慮進去,極為不公平,當時我還很氣憤地從康乃爾打電話給柯雷,替他抱不平。我也對恩斯特說:「你也快輪到了。」

    今年元月以色列把被譽稱為諾貝爾第二的沃夫化學獎(註二)頒給了恩斯特和派恩(A. Pine)。我得知後給恩斯特拍了個賀電,但表示他應不只得沃夫獎,應得諾貝爾獎才對,總覺得有些可惜,因為有許多該拿諾貝爾獎的科學家拿了沃夫獎後,便不被瑞典皇家科學院考慮了。今年十月十六日《哈佛大學日報》的編輯,打電話給我說剛聽到消息,今年諾貝爾化學獎頒給恩斯特一個人,要征求我的意見,我聽了驚喜萬分,到底他還是得到應得的最高榮譽了。

    開拓核磁共振更寬廣的世界

    恩斯特出生在蘇黎世北郊溫特突的一個保守家庭,從小到大都在當地接受正規的教育。1956年在蘇黎世瑞士聯邦技術學院拿到化學文憑後,繼續在母校攻讀物理化學,於1962年取得科學博士的頭銜。他留校研究一年之後,當時正極力發展核磁共振光譜儀(註三)的Varian公司,即聘他為科學研究員,幫忙設計改進各方面的技術。當時核磁共振光譜儀,已為全世界物理及化學研究者不可或缺的實驗儀器。Varian公司不但壟斷了全世界此光譜儀的生產及市場,更網羅了世界各地的年輕專家為其儀器的研究發展而效力。除年僅三十歲的恩斯特外,還有從英國來的弗里曼(R. Freeman)及美國的舒勒瑞(J.Schoolery)和強森(L. Johnson)等,個個幹勁十足,力求表現。幾年間將核磁共振學推展出更寬廣的世界。恩斯特與弗里曼的貢獻尤其顯著。

    自從1945年底,哈佛的頗色爾(Purcell)和史丹福的布樂和(Bloch)分別在各自的實驗室,成功地量出核磁共振信號以來,各國物理學家、化學家群起努力,在短短十幾年間,幾乎把所有重要的理論基礎和實驗方法都奠定了下來。由於核磁共振光譜可以顯示分子化合物樣品中相同原子(如氫原子)所處的不同環境及數量,對於分析化合物的組成和分子的排列與構造甚至於立體結構,有迎刃而解的功效,比起稍早發明的其他可見光、紅外線、紫外線光譜學強多了。化學家真樂得有如甘霖天降,而頗色爾與布樂和也因此偉大的貢獻共享1952年的諾貝爾物理獎。

    但是核磁共振儀儘管有用,卻有它先天的不足。首先,此光譜儀的靈敏度不高。氫核子算是最靈敏的了,但要得到足夠清晰的光譜需要相當多的化合物才行(約20毫克或2%濃度以上)。許多分離出來的或合成而得的化合物,因量少而無法分析。第二點,核磁共振儀的解析度(亦即分開鄰近光譜線的功能)與所用磁鐵的磁場大小成正比。早期使用的磁鐵磁場不大,約為地球表面地磁的2~3萬倍(註四),氫核光譜線往往擠成一塊難以辨認。當然有人想到測其他光譜線分得較散的核子光譜如碳-13(13C)。但一來13C的核磁共振靈敏度只有氫核的1~2%,再來13C的自然含量只有所有碳的1%,累積起來其靈敏度就太低了。

    以上這先天不足的兩點,始終圍繞在核磁共振學專家的腦子裡。專家總是絞盡腦汁想辦法改進。關於解析度的問題,最直接的解決辦法便是製造磁場更高的磁鐵。在1960年代中、後期,Varian公司就已經試用合金超導材料製成的磁鐵,磁場強度為地磁的10萬或14萬倍。唯因磁場的穩定性不夠,而且裝液態氦和液態氮的保溫容器設計不佳,整個儀器保養困難而未被普遍採用。直到1970年代後期,超導材料(註五)及保溫容器的改進,高磁場的超導磁鐵才開始普遍使用在核磁共振儀上。另外,一種增加光譜解析度的方法,是在溶液中加入一種使光譜線位移增大的鑭系元素複合物(註六)。

    應用傅立葉轉換提高解析能力

    如何增加靈敏度可是件大費周章的事。儘管在接收器電子零件上的改進及感應共振信號的探頭(probe)上細心設計,也只充其量把靈敏度提高個一倍。當然使用更高的磁場和更高頻率的電磁波,也可得到更高的靈敏度,但磁場的增高到底也有個限度。1965年,也就是恩斯特加入Varian公司的第三年,他首先成功地應用數學上的傅立葉轉換(Fourier transform)革新測量核磁共振光譜的方法,使靈敏度增加了10~100倍之多。

    傅立葉轉換乃法國數學家傅立葉在十九世紀初導出的理論,謂兩種不同變數的函數,可用一系列的三角函數來互相轉換而保有原來函數所帶的特性。天文學家很早就應用此理論,在處理宇宙中星球傳回來的無線電訊號。時間的函數和頻率的函數就是個例子。因此,假如某物理特性可以用時間的函數表示並測得,就不需測其頻率的函數了。

    核磁共振光譜是一種頻率的函數,亦即許多光譜線坐落在不同的頻率坐標點上。老的測量法是用頻率掃描(或磁場掃描)方式。要掃過一定寬度的光譜需時甚久(約數分鐘或更長),掃太快了光譜就會變形(註七)。另一方面核磁共振信號本身也是一種時間的函數。其實老早就有專家用短而強的電磁脈波(radio frequency pulse),一次激發所有同種的原子核,使其吸收能量產生共振信號。此信號是隨時間衰退的一個時間函數,稱為自由感應衰退(free induction decay),它是所有同種核子產生的信號之合。因原子核很快的在幾秒鐘之間,就可把吸收的能量放掉回到原來的平衡狀態,這種自由感應衰退信號在數秒之內即消失,故測量的時間就只需幾秒,比起測光譜的幾分鐘省時多了。

    更進一步的,還可以把信號儲存在電腦中,再不斷重複脈波實驗,把一個個信號加起來增加信號的強度,最後再用電腦做傅立葉轉換得到清晰的光譜(見圖一)。此種測量法恩斯特稱之為傅立葉核磁共振(FTNMR,註八)。恩斯特的發明立即轟動全球,在其後短短數年之間,傅立葉核磁共振儀成了各個大學及研究機構爭相購買的貴重儀器。除了氫、氟外,其他較不靈敏的碳-13、氮-15、矽-29及硼-11等的核磁共振信號,都普遍地運用於測量分子構造的研究上。這種革命性的創造奠定了恩斯特在科學界,尤其是化學界的地位。

    第二次革命性的創舉

    1968年恩斯特離開Varian公司,回到自己的母校ETH擔任講師,更加積極研究發展傅立葉核磁共振的理論和實驗。八年之間由講師、助理教授、副教授而升為正教授,研究室的學生及專家也愈來愈多。恩斯特的研究最大的特點是不做填充式的研究。一旦把新的理論及方法架出穩固的結構後,便另找新的題目。對於各方面的實際應用以及方法上的修飾,就讓給別人去做。由於核磁共振的應用愈來愈廣,化學家及生物化學家對它的靈敏度和解析度的要求,也是得寸進尺,永不滿足。恩斯特也和世界各地其他專家一樣在不斷地尋求改進。

    1971年,法國物理化學家金尼爾(J. Jeener)在一次會議上,提出了用二個坐標顯示核磁共振光譜(即所謂的二維核磁共振)的可行性。此種說法激起了恩斯特的靈感,於1975年再次以實驗結果,首先發表了二維核磁共振光譜,並且闡釋了該技術的種種原理及益處,諸如簡化複雜光譜增加解析度,分開顯示核子間的作用以及顯示核子間的物理及化學關係(如核間距離及化學互換反應)等(見圖二)。隨後幾年,他不斷的推出各種應用的藍圖,並推展到三維及多維核磁共振。這可說是他第二次革命性的創舉,使得化學界對他的敬仰更高一層。

    他更教導了無數的學生學徒,賣力地研究能產生各種有用的多維光譜的脈波串,並廣泛應用在解析複雜的高分子(如蛋白質、核酸等)之分子結構上。這些技術的發展對生物化學、分子生物學的研究,甚至於生命科學、藥物的研究製造,都有非凡的貢獻。

    另外,由於對多維光譜的熟練,恩斯特更提出了許多改進核磁共振照相的技術(註九)。現在各個醫院漸漸採用的磁共振照相,有許多都利用恩斯特提出的原理和方法,增快照相及顯相的速度。

    恩斯特對量子物理有極深入的了解。核磁共振的原理需要深奧的量子力學來闡釋。他也精通電磁學和電子學,這也是要深研核磁共振必須具備的基本條件。他可以說是磁共振學的通才,對核磁共振及電子順磁共振(electron spin resonance)都有廣泛而深入的研究和心得,而且是永遠走在別人的前頭。要找另一位像他一樣好的磁共振學專家的確很難。這也是今年由他獨得諾貝爾化學獎的原因之一。

    平凡的一面

    筆者自從在台大林渭川教授的指導下做學士論文起,便一直未離開過核磁共振學的研究,也因此而與恩斯特結識。1988年,經我再三的向系裡推薦,請到恩斯特來哈佛化學系做三個月短期的講學,期間就近相處,更加熟識。1990年我幫忙組織一個國際性的蛋白質分子構造學的會議,也特別邀請他去主講。因開會地點在媲美瑞士仙境的加拿大哨音山莊(Whistler Village),他還帶了全家去半度假似地參加會議。

    去年十月我因公前往歐洲考察,也拜訪了他們,在他家做客。恩斯特夫婦可說是典型的瑞士人,兩人都是土生土長的溫特突人。瑞士人相當保守,仍保有大男人主義的習俗。恩斯特太太是位標準的賢妻良母,不會開車,總是待在家裡。她和我們談家庭,談子女,可謂無話不說。恩斯特本人較為沈默寡言,但常喜歡說笑話,平時總是溫文有禮,面帶笑容,但教訓起子女時也很威嚴。他們有兩女一子,兒子最小,仍在高中念書。

    筆者發覺研究核磁共振的專家有不少對音樂特別喜好。恩斯特也不例外,他會拉大提琴,近年來沒時間拉,還想把它送給我。他還有一個難得的嗜好,喜歡收藏和佛教有關的古畫和古物。他家裡連臥房在內每扇牆都掛滿了從世界各地搜購來的古畫,有佛教、喇嘛教中各種各類的人物畫,算起來不下百幅之多。這個收藏恐怕也是世界第一了。的確,年前巴黎博物館還花重金向他租借了許多畫去展覽。他對自己收藏的古畫古物也都有深入的研究,並且還計畫早點退休,全心去寫有關佛教方面的書。他也喜歡做些木工,自己釘了不少精製的畫框,看起來和高級木匠做的成品不相上下。

    有為者亦若是

    科學的進步一日千里,知識的累積是推動人類文明的主力。雖然各行各業都有所謂的大師,但這些人並不是只靠自己就能成功的,往往是利用許多前人努力的成果加以發揚光大,而且還得依靠同輩的支援。恩斯特的成就也是一個例子(註十)。

    諾貝爾獎每年只有幾個,而各行各業的大師卻難以數盡。正如許多諾貝爾獎得主常說的:「我很高興得到這種肯定,但我知道有資格領此獎的人總是比領到的人多得很多。」偉大的科學家所表現的研究精神與方法,是絕對值得後進學者學習效法,但並不是要一味地去崇拜。每個人對人類社會的貢獻有大有小,有時候也很難區分孰重孰輕。重要的是要盡力而為。所謂「舜何人也,予何人也,有為者亦若是。」筆者介紹恩斯特先生的用意也是在此。

    註一:ETH全名為Edidgenössiche Technische Hochschule,英譯為Swiss Federal Institute of Technology.

    註二:沃夫獎(Wolf Prize)是以色列國家科學院為紀念以色列化學家沃夫(R. Wolf)於1976年設立的。每年挑選全世界最傑出的六位專家,分別在農業、物理、化學、醫學、數學和藝術方面有重大貢獻的頒給美金十萬元的獎。得到此獎的學者專家其成就的確不亞於同行的諾貝爾獎得主,但許多人因得了此獎便拿不到諾貝爾獎,當然也有例外,像哈佛的柯雷和本文介紹的恩斯特便是。

    註三:核磁共振光譜儀原名為nuclear magnetic resonance spectrometer,或簡稱為NMR。

    註四:磁場強度的單位通常用高斯(Gauss)表示。地磁強度在地球表面約為半個高斯。高磁場也常用特斯拉(Tesla)表示,1 Tesla=10,000Gauss。

    註五:現常用的超導材料仍為合金,如NbTi、 NbSn等,仍需浸在液態氦中才能產生超導現象。近年發現的高溫超導體,因材料本身的強韌度以及製造線圈技術上的困難,至今仍無法應用在核磁共振所需的磁鐵上。

    註六:鑭系元素複合物(lanthanide complex)會接在許多化合物上,影響分子上許多原子周圍的電子分布。核磁共振光譜線的位置,直接受原子核四周的電子密度影響。把電子密度差異增大,則核磁共振光譜線可分得更開。

    註七:此種變形現已可以用傅立葉轉換處理法去除。

    註八:恩斯特並不是最早知道這種傅立葉核磁共振的可行性,早在1957年,美國的I. J. Lowe和R. E. Norberg,就已證明核磁共振光譜和自由感應衰退信號之間,有傅立葉轉換的關係。

    註九:核磁共振照相術(nuclear magnetic resonance imaging),是1972年美國的老特伯(Lauterbur)首先試驗成功的。起初照相及顯相的方法粗略費時,後來借用二維及多維核磁共振的技術增快了許多。此照相術比起X光照相好很多,最主要的是不傷害人體細胞而且不會被骨頭擋住。因為怕一般人談「核」色變,現已改名為磁共振照相(magnetic resonance imaging,簡稱MRI)。

    註十:核磁共振若不是拜電腦科學家及材料科學家之賜,發展出更快更準的電腦和更優良的超導體,恐怕不會有今天的景象。做學問也必須眼觀四處,耳聽八方,切忌鴕鳥式的埋頭苦幹。

    黃紹光任職於美國哈佛大學核磁共振實驗室

    Source(s): 知識+
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