Tìm hiểu về Giải Nobel Vật lý

ăng lượng-khối lượng. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của Owen 
Chamberlain và Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản 
proton vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng lượng 
cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron chi tiết hơn 
trước đó rất nhiều và Robert Hofstadter có thể phân biệt chi tiết cấu trúc điện từ của các 
nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện tử năng lượng cao. Ông nhận nửa giải 
Nobel vật lý năm 1961. 
Sự tồn tại của hạt neutrino tiên đoán từ lý thuyết của Pauli vào những năm 1930 cũng đã 
được ghi nhận. Các bằng chứng trực tiếp thực nghiệm đầu tiên về hạt neutrino được 
Clyde Cowan và Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 nhưng mãi đến năm 1995, 
công trình đó mới được trao một nửa giải Nobel (lúc đó Cowan đã chết, ông chết năm 
1984). Neutrino cũng có mặt trong các quá trình liên quan đến tương tác yếu (như là phân 
rã của hạt betha và hạt meson pi thành hạt muon) và khi cường độc chùm hạt tăng lên, 
các máy gia tốc có thể tạo ra các chùm neutrino thứ cấp. Leon M. Lederman, Melvin 
Schwartz và Jack Steinberger đã phát triển phương pháp này vào những năm 1960 và 
chứng minh rằng hạt neutrino đi kèm trong phân rã meson pi thành muon không đồng 
nhất với các neutrino liên quan đến các điện tử trong phân rã hạt betha, chúng là hai hạt 
riêng biệt gọi là hạt neutrino điện tử và neutrino muon. Giải Nobel vật lý năm 2002 được 
trao cho Riccardo Giacconi, Masatoshi Koshiba và Raymond Davis Jr. vì có công thu 
được các hạt neutrino, khẳng định bằng thực nghiệm sự có mặt của hạt này. 
Hạt điện tử (e-), hạt muon (μ), neutrino điện tử (νe), neutrino muon (νμ) và các phản hạt 
của chúng đã được tìm thấy và chúng thuộc cùng một lớp gọi là lepton. Các hạt trên 
không tương tác bởi lực tương tác mạnh; ngược lại, các hạt proton, neutron, meson và 
hyperon (tập hợp các hạt có khối lượng lớn hơn khối lượng của proton) lại được xác định 
bởi lực tương tác mạnh. Các hạt lepton được mở rộng khi Martin Lewis Perl và nhóm 
nghiên cứu của ông đã phát hiện ra hạt lepton tau có khối lượng lớn hơn điện tử và muon. 
Perl chia giải Nobel với Reines vào năm 1995. 
Hạt quark
Tất cả các lepton vẫn được coi là các hạt cơ bản, tức là chúng giống như các điểm và 
không có cấu trúc nội, nhưng đối với proton,... thì lại không phải vậy. Murray Gell-Mann 
và nhiều người khác cố gắng phân loại các hạt tương tác rất mạnh (gọi là các hadron) 
thành các nhóm có các liên hệ và kiểu tương tác giống nhau. Gell-Mann nhận giải Nobel 
năm 1969. Hệ thống của ông dựa trên giả thiết rằng tất cả các hạt đều được tạo thành từ 
các hạt nguyên tố gọi là các hạt quark. Bằng chứng thực về việc các nucleon được tạo 
thành từ các hạt giống như quark đến từ công trình của Jerome Isaac Friedman, Henry 
Way Kendall và Richard Edward Taylor. Họ "nhìn thấy" các hạt cứng bên trong các 
lepton khi nghiên cứu tán xạ không đàn hồi của các điện tử lên các lepton. Do đó, họ 
cùng nhau chia giải Nobel năm 1990. 
Người ta hiểu rằng tất cả các hạt tương tác mạnh đều được tạo thành từ các quark. Vào 
giữa những năm 1970, một hạt có thời gian sống rất ngắn được phát hiện một cách độc 
lập bởi nhóm của Burton Richter và Samuel C. C. Ting. Đó là một loại hạt quark chưa 
được biết vào lúc đó và được đặt tên là quark đẹp (charm). Hạt quark này không có mối 
liên hệ nào đến hệ thống các hạt cơ bản và Richter và Ting chia nhau giải Nobel năm 
1976. Mô hình chuẩn trong vật lý hạt phân chia các hạt thành 3 họ, họ thứ nhất gồm: 2 
quark (và các phản quark) và hai lepton, trong mỗi lepton đều có các quark thuận và 
nghịch, điện tử và neutrino điện tử; họ thứ hai gồm: quark lạ (strange) và quark đẹp, 
muon và neutrino muon; họ thứ ba gồm: quark thuận, quark nghịch, tau và tau neutrino. 
Các hạt truyền tương tác trong tương tác điện yếu là photon, Z boson và W boson; trong 
tương tác mạnh là các hạt gluon. 
Năm 1983, Carlo Rubbia và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh sự tồn tại của các 
hạt W và Z bằng buồng va chạm proton-phản proton với năng lượng đủ cao để tạo ra các 
hạt rất nặng đó. Rubbia chia giải năm 1984 với Simon van der Meer, người có những 
phát minh quan trọng trong việc xây dựng buồng va chạm đó. Họ cũng suy đoán rằng có 
các hạt khác có thể được tạo ra tại các năng lượng cao hơn năng lượng của các máy gia 
tốc hiện thời, nhưng đến giờ không có bằng chứng thực nghiệm nào về điều đó. 
[sửa] Vũ trụ học
Mô hình vụ nổ lớn miêu tả một kịch bản có thể cho sự tiến hóa của vũ trụ tại những thời 
điểm đầu tiên. Một trong những tiên đoán của mô hình đó là sự tồn tại của nền bức xạ vũ 
trụ mà đã được Arno Allan Penzias và Robert Woodrow Wilson tìm ra vào năm 1960. Họ 
cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1978. 
Hans Bethe lần đầu tiên miêu tả chu kì hiđrô và cacbon trong đó năng lượng được giải 
phóng trong các ngôi sao bởi sự kết hợp của proton thành hạt nhân hêli. Vì đóng góp này, 
ông nhận giải Nobel vật lý vào năm 1967. 
Subramanyan Chandrasekhar đã tính toán lý thuyết quá trình tiến hóa của các ngôi sao, 
đặc biệt là các ngôi sao sẽ kết thúc cuộc đời của mình ở một trạng thái gọi là sao lùn 
trắng. Dưới một số điều kiện đặc biệt, sản phẩm cuối cùng có thể là sao neutron, một vật 
thể cực đặc trong đó tất cả các proton biến thành neutron. Trong các vụ nổ siêu sao, các 
nguyên tố nặng được tạo ra trong quá trình tiến hóa của các sao sẽ bay vào trong khoảng 
không vũ trụ. William Afred Fowler đã làm sáng tỏ rất chi tiết cả về mặt lý thuyết và thực 
nghiệm các phản ứng hạt nhân quan trọng nhất trong các ngôi sao và sự hình thành các 
nguyên tố nặng. Fowler và Chandrasekhar cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1983. 
Thiên văn vô tuyến cung cấp các thông tin về các vật thể vũ trụ mà chúng ta không thể 
quan sát được bằng phổ quang học. Sir Martin Ryle đã phát triển một phương pháp trong 
đó các tín hiệu từ vài kính thiên văn đặt cách xa nhau có thể kết hợp với nhau để làm tăng 
độ phân giải của bản đồ nguồn sóng radio từ bầu trời. Antony Hewish và nhóm nghiên 
cứu của ông đã thực hiện một phát minh rất ngẫu nhiên vào năm 1964 khi sử dụng kính 
thiên văn của Ryle: các vật thể không xác định gọi là pulsar phát ra các xung tần số sóng 
vô tuyến với tốc độ lặp lại rất xác định. Ryle và Hewish chia giải Nobel vật lý năm 1974. 
Năm 1974 cuộc tìm kiếm pulsar là đối tượng chính của các nhà thiên văn vô tuyến, 
nhưng một bất ngờ khác đã đến vào mùa hè năm đó khi Russell Alan Hulse và Joseph 
Hooton Taylor, Jr. đã chú ý đến sự điều biến chu kì của tần số các xung của một pulsar 
mới được phát hiện gọi là PSR 1913+16. Đó chính là pulsar đôi đầu tiên được ghi nhận, 
nó được đặt tên như vậy bởi vì sao neutron phát ra sóng radio là một thành phần trong 
một hệ sao đôi có kích thước gần bằng nhau. Các quan sát trên 20 năm về hệ sao này cho 
thấy bằng chứng của sóng hấp dẫn. Sự suy giảm của tần số quay rất phù hợp với các tính 
toán dựa trên lý thuyết của Einstein về mất mát năng lượng gây ra do phát ra sóng hấp 
dẫn. Hulse và Taylor chia nhau giải Nobel vật lý vào năm 1993. Tuy vậy việc thu trực 
tiếp sóng hấp dẫn trên Trái Đất vẫn chưa được thực hiện. 
[sửa] Từ đơn giản đến phức tạp
[sửa] Hạt nhân nguyên tử
Để đơn giản hóa, người ta coi hạt nhân nguyên tử, theo một phép gần đúng bậc một, được 
tạo thành từ các hạt nucleon. Mô hình đầu tiên về cấu trúc hạt nhân là mô hình các lớp 
hạt nhân do Maria Goeppert-Mayer và Johannes D. Jensen đưa ra vào cuối những năm 
1940. Họ nhận thấy rằng ít nhất đối với các hạt nhân với hình gần như hình cầu thì các 
nucleon bên ngoài cùng cũng lấp đầy các mức năng lượng giống như các điện tử trong 
nguyên tử. Tuy vậy, trật tự của các nucleon lại khác với các điện tử và được xác định bởi 
một thế năng chung và bởi sự kết cặp spin-quĩ đạo rất mạnh của các lực hạt nhân. Mô 
hình của họ giải thích tại sao hạt nhân lại đặc biệt ổn định với một số xác định (con số kì 
diệu) các proton. Họ chia nhau giải Nobel vật lý năm 1963 cùng với Eugene Wigner, 
người đã công thức hóa các nguyên lý đối xứng cơ bản rất quan trọng trong vật lý hạt 
nhân và vật lý hạt. 
Hạt nhân có số nucleon khác với con số kì diệu thì lại không phải là hình cầu. Niels Bohr 
đã từng nghiên cứu mô hình giọt chất lỏng áp dụng cho các hạt nhân bị biến dạng như 
vậy (có thể có dạng hình e-líp), và vào năm 1939 người ta thấy rằng nếu kích thích các 
hạt nhân bị biến dạng mạnh có thể dẫn đến sự phân chia hạt nhân, tức là hạt nhân bị phá 
vỡ thành hai mảnh lớn. Otto Hahn nhận giải Nobel hóa học năm 1944 cho phát hiện quá 
trình mới này. Hình phi cầu của hạt nhân biến dạng sinh thêm các bậc tự do cũng giống 
như sự dao động tập thể của các hạt nhân. James Rainwater, Aage Bohr (con trai của 
Niels Bohr) và Ben Mottelson đã phát triển các mô hình miêu tả các kích thích hạt nhân 
và họ cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1975. 
Các mô hình về hạt nhân được nhắc đến trên đây không chỉ dựa trên các nguyên lý 
chung, có tính định hướng mà còn dựa trên các thông tin ngày càng tăng về phổ hạt nhân. 
Harold C. Urey đã phát hiện ra deuterium, một đồng vị nặng của hydrogen và, vì thế, ông 
được trao giải Nobel về hóa học vào năm 1934. Fermi, Lawrence, Cockcroft và Walton, 
được nhắc đến ở phần trước, đã phát triển các phương pháp để tạo ra các đồng vị hạt 
nhân không bền. Edwin M. McMillan và Glenn T. Seaborg nhận giải Nobel hóa học năm 
1951 vì đã mở rộng bảng đồng vị hạt nhân tới các nguyên tố nặng nhất. Năm 1954, 
Walther Bothe và Max Born (được nhắc đến ở trên) nhận giải Nobel vật lý vì phát triển 
phương pháp trùng hợp cho phép những người nghiên cứu quang phổ có thể lựa chọn các 
chuỗi bức xạ hạt nhân có liên quan từ phân rã hạt nhân. 
Nguyên tử
Một bài toán có từ lâu vẫn chưa được giải quyết là các vấn đề toán học liên quan đến các 
tương tác lẫn nhau giữa các điện tử sau khi tính đến lực hút của các hạt nhân mang điện 
tích dương. Một khía cạnh của vấn đề này đã được đề cập bởi một trong những người đạt 
giải Nobel hóa học mới đây (1998), đó là Walter Kohn. Ông đã phát triển phương pháp 
hàm mật độ có thể áp dụng vào các nguyên tử tự do cũng như áp dụng cho các điện tử 
trong các phân tử và trong chất rắn. 
Vào đầu thế kỉ 20, bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học vẫn chưa hoàn thiện. Lịch sử ban 
đầu của giải Nobel bao gồm các phát hiện một số các nguyên tố còn thiếu. Lord Raleigh 
đã chú ý đến những dị thường về khối lượng nguyên tử tương đối khi các mẫu ôxy và 
nitơ được tách trực tiếp từ không khí quanh ta chứ không phải tách chúng từ các thành 
phần hóa học. Ông kết luận rằng khí quyển phải có chứa thành phần chưa biết, đó là 
nguyên tố argon, có khối lượng nguyên tử là 20. Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1904, 
cùng năm với Sir William Ramsay nhận giải Nobel hóa học vì đã tách được nguyên tố 
hêli. 
Trong nửa cuối của thế kỉ 20, đã có một sự phát triển vượt bậc về phổ và độ chính xác 
nguyên tử, mà nhờ đó người ta có thể đo được các dịch chuyển giữa các trạng thái 
nguyên tử, hoặc phân tử, rơi vào vùng vi sóng hoặc vùng ánh sáng khả kiến. Vào những 
năm 1950, Alfred Kastler (giải Nobel năm 1966) và các đồng nghiệp cho thấy các điện tử 
trong các nguyên tử có thể được đặt vào các trạng thái kích thích lọc lựa bằng các sử 
dụng ánh sáng phân cực. Sau phân rã phóng xạ, ánh sáng phân cực cũng có thể làm cho 
spin của các nguyên tử ở trạng thái cơ bản định hướng. 
Cảm ứng dịch chuyển tần số vô tuyến đã mở ra các khả năng đo một cách chính xác hơn 
trước rất nhiều các tính chất của các trạng thái bị lượng tử hóa của các điện tử trong 
nguyên tử. Một hướng phát triển song song đã dẫn đến việc phát hiện ra maser và laser 
dựa trên khuyếch đại phát xạ kích thích sóng vô tuyến trong các trường sóng điện từ ở 
vùng vi sóng và khả kiến – các hiệu ứng mà về mặt nguyên lý đã được tiên đoán từ các 
phương trình của Einstein vào năm 1917 nhưng đã không được quan tâm đặc biệt cho 
đến tận đầu những năm 1950. 
Charles H. Townes đã phát triển maser đầu tiên vào năm 1958. Nikolay G. Basov và 
Aleksandr M. Prokhorov đã thực hiện công trình lý thuyết về nguyên lý maser. Maser 
đầu tiên sử dụng một dịch chuyển kích thích trong phân tử ammonium. Nó đã phát ra bức 
xạ vi sóng mạnh không giống như các bức xạ tự nhiên (với các quang tử có các pha khác 
nhau). Độ sắc nét của tần số của maser ngay lập tức trở thành một công cụ quan trọng 
trong kĩ thuật, xác định thời gian và các mục đích khác. Townes nhận nửa giải Nobel vật 
lý năm 1964, Basov và Prokhorov chia nhau một nửa giải còn lại. 
Đối với bức xạ khả kiến, sau này laser được phát triển trong một số phòng thí nghiệm. 
Nicolaas Bloembergen và Arthur L. Schawlow được nhận nửa giải Nobel năm 1981 cho 
công trình nghiên cứu về phổ laser chính xác của các nguyên tử và phân tử. Một nửa giải 
của năm đó được trao cho Kai M. Siegbahn (con trai của Manne Siegbahn), người đã 
phát triển một phương pháp có độ chính xác cao trong việc xác định phổ nguyên tử và 
phân tử dựa vào các điện tử phát ra từ các lớp điện tử bên trong khi bị tác động của chùm 
tia X có năng lượng đã được xác định. Phổ điện tử của ông được sử dụng làm công cụ 
phân tích trong rất nhiều ngành của vật lý và hóa học. 
Norman F. Ramsey đã phát triển các phương pháp chính xác dựa trên sự hưởng ứng của 
các điện tử tự do trong chùm nguyên tử với trường điện từ tần số vô tuyến, Wolfgang 
Paul đã phát minh ra các bẫy nguyên tử tạo thành từ các điện trường và từ trường tác 
động lên toàn bộ thể tích mẫu. Nhóm nghiên cứu của Hans G. Dehmelt là những người 
đầu tiên cách ly được các hạt riêng lẻ (trong trường hợp này là các phản điện tử) cũng 
như là các nguyên tử riêng lẻ trong các bẫy như vậy. Lần đầu tiên, các nhà thực nghiệm 
có thể "giao tiếp" được với các nguyên tử riêng biệt bằng các tín hiệu vi sóng và laser. 
Điều này cho phép nghiên cứu các khía cạnh mới của tính chất cơ học lượng tử và làm 
tăng độ chính xác hơn nữa trong việc xác định tính chất nguyên tử và chuẩn hóa thời 
gian. Paul và Dehmelt nhận một nửa giải Nobel năm 1989 và nửa còn lại được trao cho 
Ramsey. 
Bước cuối cùng trong tiến bộ này là làm cho các nguyên tử trong các bẫy như vậy chuyển 
động chậm đến mức, ở trạng thái cân bằng nhiệt trong môi trường khí, chúng có thể 
tương ứng với nhiệt độ chỉ vài micro Kenvin. Điều đó được thực hiện bằng cách cho 
chúng vào để làm nguội bằng laser thông qua một tập hợp các hệ thống được thiết kế rất 
thông minh do Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji và William D. Phillips thực hiện 
khi nhóm này nghiên cứu thao tác lên các nguyên tử thông qua quá trình va chạm với các 
quang tử laser. Công trình của họ được nhìn nhận bằng giải Nobel năm 1997. 
Phân tử và plasma
Các phân tử tạo thành từ các nguyên tử. Chúng tạo ra mức phức tạp tiếp theo khi nghiên 
cứu các hệ nhiều hạt. Nhưng các nghiên cứu phân tử thường được coi như một nhánh của 
hóa học và hiếm khi được trao giải Nobel về vật lý. Chỉ có một ngoại lệ đó là công trình 
của Johannes Diderik van der Waals, ông đã đưa ra các phương trình trạng thái của các 
phân tử cho chất khí khi tính đến tương tác lẫn nhau giữa các phân tử và sự giảm thể tích 
tự do gây ra bởi kích thước hữu hạn của chúng. Các phương trình van der Waals là những 
điểm rất quan trọng trong việc miêu tả quá trình ngưng tụ của các chất khí thành chất 
lỏng. Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1910. Jean B. Perrin nghiên cứu chuyển động của 
các hạt nhỏ phân tán trong nước và nhận giải Nobel năm 1926. Nghiên cứu của ông cho 
phép khẳng định lý thuyết thống kê của Einstein về chuyển động Brown cũng như các 
định luật điều khiển quá trình cân bằng của các hạt phân tán trong chất lỏng khi chịu tác 
dụng của trọng lực. 
Năm 1930, Sir C. Venkata Raman nhận giải Nobel vật lý cho các quan sát của ông chứng 
tỏ rằng ánh sáng tán xạ từ các phân tử bao gồm các thành phần có tần số bị dịch chuyển 
tương ứng với ánh sáng đơn sắc. Sự dịch chuyển này gây bởi sự tăng hoặc giảm năng 
lượng đặc trưng của phân tử khi chúng thay đổi chuyển động quay hoặc dao động. Phổ 
Raman nhanh chóng trở thành nguồn thông tin quan trọng cung về cấu trúc và động học 
phân tử. 
Plasma là trạng thái khí của vật chất trong đó các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa rất 
mạnh. Lực điện từ giữa các ion dương và giữa các ion và điện tử đóng một vai trò nổi 
trội, điều này làm tăng tính phức tạp khi nghiên cứu plasma so với nguyên tử hoặc phân 
tử trung tính. Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng minh rằng một loại chuyển động tập 
thể mới, gọi là sóng từ-thủy động lực học có thể được sinh ra trong các hệ plasma. Các 
sóng này đóng một vai tròn quan trọng xác định tính chất của plasma, trong phòng thí 
nghiệm cũng như trong khí quyển Trái Đất và trong vũ trụ. Alfvén nhận nửa giải Nobel 
năm 1970. 
Vật lý chất rắn
Cấu trúc tinh thể
Các tinh thể được đặc trưng bởi sự xắp xếp đều đặn của các nguyên tử. Sau khi phát hiện 
ra tia X không lâu, Max von Laue nhận thấy rằng, các tia X bị tán xạ khi đi qua các tinh 
thể chất rắn giống như ánh sáng đi qua một cách tử quang học. Có hiện tượng này là do 
bước sóng của tia X thông thường trùng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất 
rắn. Sir William Henry Bragg (cha) và William Lawrence Bragg (con) lần đầu tiên dùng 
tia X để đo khoảng cách giữa các nguyên tử và phân tích sự sắp xếp hình học của các 
nguyên tử trong các tinh thể đơn giản. Vì các công trình tiên phong trong việc nghiên cứu 
tinh thể học bằng tia X, họ được trao giải Nobel vật lý, Laue năm 1914 và cha con Bragg 
năm 1915. 
Cấu trúc của tinh thể là trạng thái ổn định nhất trong nhiều trạng thái rắn mà nguyên tử có 
thể được xắp xếp tại nhiệt độ và áp suất thông thường. Vào những năm 1930, Percy W. 
Bridgman đã phát minh ra các dụng cụ mà nhờ đó có thể nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc 
tinh thể, tính chất điện, từ, nhiệt của chất rắn dưới áp suất cao. Rất nhiều tinh thể thể hiện 
các chuyển pha dưới các điều kiện đặc biệt như vậy. Sự sắp xếp hình học của các nguyên 
tử bị thay đổi đột ngột tại áp suất nhất định. Bridgman nhận giải Nobel vật lý năm 1946 
cho các phát minh trong lĩnh vực vật lý áp suất cao. 
Vào những năm 1940, nhờ sự phát triển của các máy phản ứng phân rã hạt nhân, các nhà 
thực nghiệm có thể thu được các neutron năng lượng thấp. Người ta cũng thấy rằng, 
giống như tia X, các neutron cũng rất hiệu quả trong việc xác định cấu trúc tinh thể bởi vì 
bước sóng de Broglie của hạt nhân cũng cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất 
rắn. Clifford G. Shull đã có nhiều đóng góp cho sự phát triển kĩ thuật nhiễu xạ neutron 
trong việc xác định cấu trúc tinh thể, và cũng cho cho biết rằng, sự sắp xếp của các mô 
men từ nguyên tử trong các vật liệu có trật tự từ có thể làm tăng nhiễu xạ neutron, cung 
cấp một công cụ rất mạnh để xác định cấu trúc từ. 
Shull nhận giải Nobel vật lý năm 1994 cùng với Bertram N. Brockhouse, chuyên gia về 
một khía cạnh khác của tán xạ neutron trên chất rắn: khi các neutron kích thích kiểu dao 
động tử mạng trong tinh thể gây ra suy giảm năng lượng. Do đó, Brockhouse đã phát 
triển máy phổ neutron 3 chiều, nhờ đó có thể thu được toàn vẹn các đường cong tán sắc 
(năng lượng của dan động tử mạng là một hàm của véc tơ sóng). Các đường cong tương 
tự có thể thu được đổi với dao động tử từ (magnon). 
Tính chất từ của chất rắn
John H. Van Vleck có đóng góp đặc biệt cho lý thuyết từ học trong chất rắn vào những 
năm sau khi cơ học lượng tử ra đời. Ông đã tính toán các ảnh hưởng của liên kết hóa học 
lên các nguyên tử thuận từ và giải thích sự phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường ngoài của 
tính chất từ. Đặc biệt ông đã phát triển lý thuyết trường tinh thể của các hợp chất của các 
kim loại chuyển tiếp, đó là điều vô cùng quan trọngtrong việc tìm hiểu các tâm hoạt động 
trong các hợp chất dùng cho vật lý laser cũng như sinh học phân tử. Ông cùng nhận giải 
Nobel vật lý với Philip W. Anderson và Sir Nevill F. Mott (xem dưới đây). 
Các nguyên tử từ có thể có các mô men từ sắp xếp theo