核磁共振与诺贝尔奖的不解之缘
除了核磁共振之外我还没有发现还有哪门学科能为具有创造性的人们提供如此多的自由和如此多的机会去发明和探索新的实验方法，而且这些方法能富有成果地运用于形形色色的领域中。核磁共振具有理论的吸引力，因为所观察到的现象能够用完美的理论来解释，并且几乎所有的奇思异想都能用简单的实验来验证，核磁共振的现实意义是巨大的，它能使一个入迷的波谱学家近乎荒唐的行为变为合理。
——Richard R. Ernst (Nobel Lecture)
- 1 斯特恩（O. Stern）与1942年诺贝尔物理学奖
1920年斯特恩（O. Stern）与他的同事在德国法兰克福做了一个巧妙的实验：在电加热的真空炉壁上钻了一个小孔，通过这个孔灌入蒸汽流，是一股极细的蒸汽流，发现这种被他称之为“分子束”中的分子都向同一个方向运动，且彼此互不碰撞。他把这种现象记录下来，说明分子束不会受非均匀磁场影响的。斯特恩把它称为“波尔磁子”。他在此现象的基础上又进一步提出了有向的或空间的量子说。1923年，斯特恩出任汉堡大学物理学实验室主任后继续完善分子束技术，后来，他的研究对象扩大到当时发现不久的中子和质子。1933年，又利用分子束技术测定了质子的磁距。斯特恩因此荣获1943年诺贝尔物理学奖。
- 2 拉比（I. Rabi）与1944年诺贝尔物理学奖
这时产生了新的问题，就是原子如何与磁场发生反应？根据当时的数学家拉莫（Larmor）的计算，这个现象归因于电子和原子核在磁场方向的进动。如果磁场力能够被测定，那么粒子的磁函数也就可以计算。而拉比（I. Rabi）解决了这个问题。在磁场中放入一个线圈，接通至示波器的电路，且频率是可调的。原子束通过磁场时，对电流产生影响，示波器的图像发生了改变。由此，他发现了磁核的跃迁。为了表彰他用共振方法记录原子核磁属性，拉比被授予1944年诺贝尔物理学奖。
- 3 珀塞尔（E. M. Puercell）、布洛赫（F. Bloch）与1952年诺贝尔物理学奖
1945年珀塞尔（E. M. Puercell）在实验中，将石蜡填充在谐振腔里，使谐振腔在高频线圈的中心，而这一线圈又置于一个强磁体所产生的磁场中，这样强磁体使微小的磁核整齐的排列。然后，珀塞尔通过无线电波改变它们的方向，通过记录原子核跃迁吸收能量的频率，计算出使原子核跃迁所需要的能量，因此也就找到了核磁矩，且其精度超过了物理学中几乎所有的其它测量精度。珀塞尔因从事物质核磁共振现象的研究获得了1952年诺贝尔物理学奖。
布洛赫（F. Bloch）受到了泡利对谱线的超精细结构所做工作的启发，谱线的超精细结构的产生与原子核具有自旋角动量和磁矩有关。这一磁矩与原子中电子所产生磁场相互作用的能量依赖于它们之间的角度，由此观察到能级的微小区别。布洛赫认为，在共振条件下，水中的质子在强磁场中共振时，将会在围绕的线圈感应出射频电压，即法拉第感生电动势。这样，核变成了“微型无线电发报机”，而且布洛赫观测到了它发射的信号，由示波器屏幕上条纹的方向就可以知道核旋转是顺着磁场方向还是相反。因此，布洛赫与珀塞尔分享了1952年诺贝尔物理学奖。
- 4 恩斯特（R. R. Ernst）与1991年诺贝尔化学奖
物理学家发现核磁共振现象之后，化学家便将这项技术应用于物质结构的测定上。越来越多的物质被核磁共振谱仪研究。但是当时核磁共振实验存在测量时间过长、测量精确度不够的缺陷。1966年，瑞士化学家恩斯特（R. R. Ernst）提出了一个提高核磁共振的精确度的设想：用短而强的射频脉冲取代低频扫描，然后把信号按其脉冲的时间函数进行测量。后来按此设想进行了实验，但是用时间函数测定的信号却不能直接用来解释测定值。恩斯特后来想到使用数学中的傅里叶变换技术，将这些时间函数转化为频率函数，而傅里叶变换可以采用电子计算机迅速完成。由于这种改进，成百倍的提高了物质结构的测定灵敏度，自然界当中存在数量较少的磁核例如13C、15N、31P，也可以被精确的测量出来。这个技术迅速的被化学家所采用，多种有机分子中常见的原子都可以使用核磁共振波谱仪进行测定。这样，傅里叶变换核磁共振谱仪成为了有机化学家手中常规的测试手段。二十世纪70年代，恩斯特受到了比利时科学家杰纳（Jeener）的启发发明了二维核磁共振方法，大幅度简化了复杂的化合物的结构确定过程。鉴于以上两项贡献，恩斯特荣获了1991年诺贝尔化学奖，评委会称赞他“在高分辨核磁共振方法学的发展上做出了贡献”。
- 5 维特里希（K. Wüthrich）与2002年诺贝尔化学奖
当生物化学家将核磁共振技术应用于生物大分子例如蛋白质的检测的时候，正如预料的那样，核磁共振谱图好像眺望时的草坪模糊不清——在检测器中会产生数千个信号，从而使人无法确认哪个信号属于哪个原子。最终，另一位瑞士科学家维特里希（K. Wüthrich）解决了这个问题。随后维特里希设计了一种方法，将每个核磁共振信号转化为氢原子与氢原子之间的距离，然后结合距离几何学的方法，采用计算机辅助计算，得出分子的三维结构。1985年，他用此方法获得了世界上第一幅蛋白质完整的三维结构图像。而过去，溶液当中生物大分子的三维结构是无法得到的，只能通过X射线衍射的方法测定晶体结构。为了表彰维特里希在生物大分子结构研究当中的杰出贡献，他获得了2002年诺贝尔化学奖。
- 6 劳特布尔（P. C. Lauterbur）、曼斯菲尔德（P. Mansfield）与2003年诺贝尔生理学和医学奖
核磁共振技术除了能应用于物理和化学领域，在医学领域核磁共振也大显身手，核磁共振成像技术能够更精的观察人体内部器官而不造成任何伤害，被誉为“比发现X射线更伟大的医学史上的划时代的进步”。美国科学家劳特布尔（P. C. Lauterbur）和英国科学家曼斯菲尔德（P. Mansfield）因发明了核磁共振成像技术荣膺2003年诺贝尔生理学和医学奖。
