Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobelova Cena za Fyziku v roce 1944
„za jeho rezonanční metodu pro záznam magnetických vlastností atomových jader“.
Jako Norman Ramsey, jeden z Isidor Rabi je životopisů zdůraznil, že „Někteří vědci, aby jejich největší přínos prostřednictvím své vlastní osobní výzkum, zatímco jiní jsou nejlépe si pamatoval pro jejich obecné moudrosti a jejich vliv na ostatní. Několik, včetně rabiho, vyniká v obou ohledech.“To by vlastně být reduktivní mluvit o Rabi je důležité objevy, které vedly k jeho Nobelovu Cenu v roce 1944, aniž by zmínil, jak jeho vliv sahal daleko za hranice jeho vlastní laboratoř a jak se, pod jeho vizionářské vedení jako státník vědy, mnoho úspěšných podniků v národní a mezinárodní spolupráce v oblasti vědy byly realizovány. Zejména byl jedním ze zakladatelů Brookhaven National Laboratory a hlavním propagátorem laboratoře CERN. Jeho skvělá pověst a jeho kontakty, s předními fyziky i s vládními vůdci OSN, se staly cennými nástroji, když se stal mluvčím mírového využívání jaderné energie.
Stává odborníkem v kvantové teorii,
Isidor Isaac Rabi se narodil v Rymanów, Rakousko-Uhersko, v roce 1898, na samém konci 19. století, kdy X-paprsky, radioaktivita a elektron byl objeven. Následující rok se jeho rodiče přestěhovali do New Yorku, kde navštěvoval veřejnou školu, ale získal velkou část svého vzdělání a zájmu o vědu prostřednictvím knih vypůjčených z veřejné knihovny. V roce 1916, po absolvování střední školy, Rabi vstoupil na Cornell University se stipendiem, začínal v elektrotechnice, ale promoval v oboru chemie. Po třech letech daleko od univerzity se vrátil nejprve do Cornellu, aby absolvoval chemii, o rok později se přestěhoval na Columbia University a obrátil se na fyziku.
v roce 1923, když Rabi začal studovat fyziku, zjistil, že jeho skutečným zájmem je kvantová teorie. Nicméně, ne profesor fyziky na Kolumbijské byl opravdu obeznámeni s těmito novinkami přichází z Evropy a měl si vybrat téma disertační práce, které zahrnovalo měření magnetické citlivosti sérii krystalických solí. Mezitím zorganizoval studijní skupinu spolužáků, aby se potýkali s kvantovou mechanikou. V červenci 1927 Rabi předložil svou disertační práci časopisu Physical Review a druhý den se oženil s Helen Newmarkovou. Brzy poté, stejně jako mnoho jiných amerických mladých fyziků, se vydal na cestu do Evropy, aby měl bližší pohled na průkopníky nové kvantové mechaniky.
Evropské Turné prostřednictvím Centra Kvantové Mechaniky,
Během prvního měsíce Rabi navštívil Erwin Schrödinger v Curychu, Arnold Sommerfeld v Mnichově, a Niels Bohr v Kodani. Ten zařídil pro Rabi zůstat v Hamburk, Wolfgang Pauli, který v té době byl spolupracovník Otto Stern, jeden ze zakladatelů experimentální atomové fyziky a to včetně spektroskopie. Na konci října tam dorazil Rabi s Jošiem Nišinou, který navštívil Evropu z Japonska. Rabi dobře znal Stern-Gerlachův experiment z roku 1922, který se ukázal být jedním z milníků na cestě k moderní kvantové fyzice. V nastavení tohoto experimentu, Stern byl veden Sommerfeld je rozšíření Bohrova teorie atomu – rozšíření samostatně předložila Peter Debye – ve které, kromě obvyklých kvantová čísla pro velikost a tvar oběžné dráhy, kvantizaci prostorové orientace „Keplerian“ elektron obíhá kolem jádra, byla navržena, návrh odkazoval se na jako prostor kvantování. Kvůli orbitálnímu pohybu jediného elektronu může mít atom magnetický moment, který určuje jeho interakci s vnějšími elektrickými a magnetickými poli. Prostorová kvantizace umožnila pouze vybrané diskrétní orientace každého atomového magnetu vzhledem ke směru externě aplikovaného magnetického pole. Ve Stern-Gerlach experiment kolimovaný paprsek atomů stříbra, všechny se stejným magnetický moment, tekoucí z malého otvoru z vytápěné pece a pohybuje s tepelnou rychlostí, prošel výrazným non-jednotné magnetické pole. Na své dráze mezi pecí a detektorem bude magnetické pole vyvíjet točivý moment na magnetický dipól, který tak předchází směru magnetického pole. Nerovnoměrné pole bude také vyvíjet na magnetický moment příčnou sílu, jejíž velikost a směr závisí na orientaci magnetického momentu atomu vzhledem ke směru externě aplikovaného magnetického pole. Složka magnetického momentu rovnoběžná se směrem pole nebude ovlivněna.
klasický obraz neobsahuje žádné omezení úhlu, pod kterým může atomový magnet předcházet magnetickému poli. Očekává se, že v důsledku tepelných účinků v peci budou magnetické dipólové momenty atomů náhodně orientovány v prostoru vzhledem ke směru pole. Směry pohybu atomů v počátečním paprsku by byly posunuty náhodnými množstvími kolmými ke směru pohybu počátečního paprsku. Mělo by tedy dojít k nepřetržité gradaci výchylek a přenášený paprsek by se pouze rozprostíral jako ventilátor.
Ve skutečnosti, Stern a Gerlach zjistil, že na studené sklo detektor desky mateřské paprsek rozdělen do dvou samostatných částí -s žádné stopy atomů stříbra v centrální oblasti, kde bychom očekávali, že undeflected atomy – z čehož vyplývá, že v případě stříbrných atomů, pouze dva odlišné směry jsou povoleny s ohledem na směr magnetického pole. Stern a Gerlach tedy za jejich výsledek rozhodující vyvrácení klasické teorie, vyvracející klasické Larmor teorie, která byla založena na kontinuální hodnoty pro směr magnetických momentů. Současně však tento jev mylně považovali za potvrzení staré kvantové teorie, podle níž byl magnetický moment atomu stříbra způsoben orbitálním momentem hybnosti elektronů.
Nevědomky, oni měli ve skutečnosti byl první pozorovat kvantování magnetického momentu spojené s spinu elektronu, protože jejich stříbrné atomy byly ve skutečnosti v základním stavu, s celkový orbitální magnetický moment rovný nule, tak, že magnetický dipólový moment atomu byl zcela v důsledku spin elektronu, nové kvantové číslo, které by být zavedena v roce 1925 George Uhlenbeck a Samuel Goudsmit.
Stern-Gerlach experiment, předčasný triumf molekulární paprsek metodou, která nabízí jiné-než-spektroskopické důkazy, že kvantové objekty vykazují chování neslučitelné s klasickou fyziku, byl ohromený a překvapený Rabi jako student, když byl ještě skeptický, pokud jde o kvantové teorii. On stal se přesvědčený, že systém myšlenek, hlubších Bohrově atomu a pokusy rozšířit tyto nápady na další atomové jevy byly dobře založil a začal studovat a diskutovat se svými přáteli všechny papíry, které by byly postupně začleněny do formální struktury nové kvantové mechaniky.
při práci s Nishinou a Pauli na teoretické práci strávil nějaký čas v Sternově laboratoři a úspěšně provedl to, co se stalo jeho prvním experimentem s molekulárním paprskem. Konfigurace magnetického pole, kterou navrhl k vychýlení částic paprsku, se stala známou jako pole rabiho. Rabiho práce ve Sternově laboratoři byla rozhodující pro přeměnu jeho zájmu na výzkum molekulárních paprsků.
Po Hamburku, Rabi odešel do Lipska, aby práce s Werner Heisenberg, ale mezitím Pauli Hamburk vlevo na židli v Curychu a v Březnu 1929 Rabi a. Robert Oppenheimer, koho on se setkal poprvé v Lipsku, následoval ho do Curychu. Opět to byla úžasná příležitost seznámit se s některými z nejlepších mozků ve fyzice, ale jeho pobyt v Curychu skončil až na konci Března, Rabi obdržel telegram z Columbia University, nabízí mu docentura na katedře fyziky. Hledali teoretického fyzika, který by mohl učit novou kvantovou mechaniku a Heisenberg sám během návštěvy v Kolumbii důrazně doporučil rabiho na takovou pozici. Okamžitě přijal a 1. srpna 1929 opustil Evropu se svou mladou ženou. Jeho vědecké učení skončilo, vyvinul nové povědomí a znalosti fyziky na samotných zdrojích nové kvantové mechaniky.
molekulární paprsky pro sondu jádra
Rabi věnoval svůj první rok v Kolumbii jako lektor výhradně namáhavému úsilí o výuku nejpokročilejších kurzů v oddělení. Tak začal jeho všudypřítomný vliv na americkou fyziku. Během následujících dvou let provedl teoretický výzkum fyziky pevných látek, ale jeho myšlenky byly velmi často zaměřeny na molekulární paprsky.
V roce 1931, Harold Urey, Rabi Columbia kolega, se pokoušel určit jaderný spin sodíku analýza jeho spektra, s neprůkazné výsledky. V té době, jeho dlouholetá účast v izotopu výzkum byl inspirující ho k hledání deuterium, vodíkový 2 izotop, jehož existenci on vlastně oznámil v Physical Review na Nový Rok, 1932. Za tento objev pak Urey získal Nobelovu cenu za chemii 1934. Jen o sedm týdnů později James Chadwick oznámil „možnou existenci neutronu“, což je zásadní objev, který oficiálně otevřel jadernou éru.
v roce 1931 však neutron ještě nebyl a atomové jádro bylo stále terra incognita, neprozkoumané území, které se brzy stalo doménou rabiho vědeckého dobrodružství. Rabi viděl, že technika molekulárního paprsku může být použita k řešení výzvy, kterou nabízí nejistota související s jaderným spinem sodíku. Mohl by poskytnout přístup k základním otázkám týkajícím se kvantového světa i jaderné říše. Rabi chtěl měřit magnetický moment jádra tak, jak Stern měřil magnetický moment atomu stříbra. K přeměně základního Stern-Gerlachova experimentu na techniku, která by mohla být použita pro kvantitativní měření, však bylo zapotřebí mnoho vylepšení.
V principu nukleární magnetické vlastnosti, může být určena na základě analýzy atomárních spekter, ale vzhledem k nepatrné velikosti jaderného okamžiky – tři řády menší než jejich elektronické protějšky – experimentální techniky byly napjaté k limitu, a to bylo docela těžké se dostat tento druh informací prostřednictvím spektroskopie. Aplikace experimentu typu Stern-Gerlach na měření jaderných magnetických vlastností by poskytla nezávislou kontrolu obtížných spektroskopických metod a zároveň poskytla přístup k jaderným datům, která byla jinak nedostupná.
S Gregory Breit, jeho kolega z New York University, Rabi měl zřídit společný seminář prozkoumat a diskutovat o atomové jaderné jevy. V roce 1931, se vyvinul vzorec, který ukázal variace magnetického momentu atomu pro různé Zeeman hladinami velmi jemné struktury pod vlivem vnějšího magnetického pole. Metoda paprsku by tak mohla být použita ke zkoumání jaderných magnetických vlastností atomů.
s Victorem Cohenem, jeho prvním postgraduálním studentem, začal Rabi svou průkopnickou experimentální práci na přesném měření jaderných vlastností, což ho v následujícím desetiletí přivedlo do popředí jaderné fyziky. Změnou vychylování pole podél cesty projet atomů sodíku, nosník byl rozdělen do jednotlivých beamlets v každé z nichž atomů sodíku byly ve stejné hyperfine kvantový stav. Celkový počet paprsků závisel na jaderném spinu sodíku, proto vše, co museli udělat, bylo spočítat počet paprsků pozorovaných na detektoru. Z toho mohli odvodit, že jaderný spin sodíku je 3/2, ale pro mnoho měsíců neměli sdělovat své poznatky, a první experimentální výsledky byly zveřejněny až v Březnu 1933.
Ve stejném roce 1933, Stern a jeho skupina měla měřit magnetický moment protonu, který byl nalezen být asi 2,8 krát větší, než to, co Paul Dirac v roce 1928 se zdálo, že teorie předpovídají. Tento neočekávaný výsledek byl ve skutečnosti velkým objevem. Objev rotace elektronu měl první význam pro získání pochopení atomové struktury. Stejně tak se očekávalo, že znalost magnetického momentu protonu bude hrát podobnou roli v oblasti jaderné struktury.
základní charakter měření Stern a jeho spolupracovníky vyzváni Rabi nastavit jeho vlastní experiment pro měření protonu je – stejně jako deuteronu je – magnetický moment. S dvěma postdoctoral kolegy, J. M. B. Kellog a Jerrold R. Zacharias, Rabi rychle začal nastavit experiment na Columbia University změřit magnetický moment protonu, za použití Breit-Rabi teorie.
výsledky publikované v roce 1934 ukázaly ještě větší hodnotu než Sternův překvapivý výsledek. Další pokusy prováděné v roce 1936 využita nová metoda se dvěma vychylování magnety, které každý paprsek částic prošel postupně. Poté, co byl vychýlen v první nehomogenní magnetické pole, a to jak rychlé a pomalé atomy by měly být přeorientovány do detektoru druhé nehomogenní pole, aby se zabránilo komplikace spojené s distribuovanou rychlostí světla částice. Mezi dvěma vychylujícími se magnety bylo nové statické pole ve tvaru písmene T. Paprsky procházející koryta statické pole viděl ekvivalent rotační, nebo oscilační magnetické pole, které působí zvratu síla působící na magnetický moment, takže je překlopit z jedné orientace na jiný, když zdánlivé pole měl úhlovou rychlost přibližně stejná jako Larmorova frekvence precese magnetického momentu o magnetické pole. Studium těchto stimulovaných přechodů mezi magnetickými stavy atomu vodíku umožnilo poprvé určit, že magnetické momenty protonu a deuteronu jsou pozitivní. Účinek tohoto nového uspořádání bylo, že to výrazně lepší experimentální výsledky, čímž se snižuje nejistota v měřené hodnoty protonu magnetický moment z 10 procent na 5 procent a 4 procenta místo z 26 procent na deuteronu. Tyto výsledky však nejen poskytly lepší hodnoty a znaky okamžiku, ale také magnetický moment neutronu.
Magnetické Rezonance
Po většinu roku 1930 Rabi a jeho spolupracovníků, které do této doby zahrnuty také Polykarp Kusch, Sydney Millmann a Norman Ramsey, i nadále vyšetřovat prvních dvou izotopů atomu vodíku. Při plánování třetího experimentu byl navržen přístroj velmi podobný tomu, který byl použit v předchozím experimentu, ale v poněkud upravené podobě. Dva silné nehomogenní vychylování pole byla znovu nastavit odklonit paprsek částic v opačných směrech, a sílu pole druhý magnet byl nastaven přesně vrátit to, co první magnet udělal, že je zaměření paprsku částice do detektoru. Pokud se tyto dvě pole sám byl působící na nosník, počet atomů zjištěna by bylo stejné, jako kdyby tam byly žádné pole, protože v druhém poli by kompenzovat přesně akce prvního pole.
skutečnou novinkou tohoto experimentu byl, že třetí jednoduchých statických T-pole bylo doplněno o slabé pole složka překrývá v pravém úhlu k silné konstantní homogenní pole a oscilující na nastavitelné frekvenci. Tato oscilační složka by mohla změnit orientaci precesních atomů vyvolávajících přechody (převrácení) magnetických momentů těsně předtím, než vstoupily do druhého nehomogenního pole.
V plné analogii k rezonanční absorpci viditelného světla, přechody na různé kvantové stavy by mohlo dojít z jednoho Zeeman velmi jemné úrovně do druhé, pokud střídavé pole splněna Bohrova frekvenční podmínka pro energetický rozdíl mezi dvěma úrovněmi. Namísto optických frekvencí se zde však běžně zabýváme frekvencemi v rádiovém rozsahu, protože rozdíly mezi energetickými hladinami jsou velmi malé. Každá molekula viděla mnoho cyklů stejné frekvence a pravděpodobnost přechodu byla tak zvýšena. Když frekvence precese Larmor ve statickém poli odpovídá frekvenci oscilačního pole, mnoho atomů se převrátí na jinou orientaci a chybí detektor. V tomto případě detektor registruje výrazné rezonanční minimum, přičemž frekvenční poloha tohoto minima je určena s mimořádnou přesností dosažitelnou pomocí radiofrekvenčního měřidla. Když Larmorova frekvence je již v rezonanci s frekvencí oscilační pole, atomy jsou nově soustředěny do detektoru a signál je opět velký.
Tohle bylo jádro magnetické rezonance, nejvíce významné zlepšení v molekulární a atomové paprsek techniky, která jasně nabízí bezprecedentní přesností v založení rádio vztahy se světem elektron a atomové jádro. Jeho nejpřímější aplikací bylo měření jaderných magnetických momentů. Základem pro to je rezonanční podmínka f=(µH)/Ih, v nichž f je frekvence precese osy jaderný spin v magnetickém poli síly H a μ je magnetický moment jádra. Číslo I je kvantové číslo jaderného spinu, celé číslo nebo půl celé číslo a h je Planckova konstanta. Frekvence precese, jakmile je detekována, se snadno měří s vysokou přesností, a tak lze určit množství μ / Ih a magnetický moment lze nalézt, pokud je známa rotace. Proto, je-li frekvence oscilačního pole pomalu měnit, prudký pokles (rezonanční jev) se vyskytuje v počtu atomů dorazí na detektor, když frekvence pole se rovná Larmorova frekvence. Každá taková rezonance pak dává hodnotu poměru μ / Ih a tedy magnetického momentu.
první křivka nukleární magnetické rezonance byla odeslána k fyzickému přezkoumání 15. ledna 1938. Měření vodíku rezonanční metodou pokračovalo koncem jara 1938. Jak bylo předpovězeno, byly pozorovány dvě silné rezonance s molekulou HD, z nichž jedna byla spojena s protonem, druhá s deuteronem. Obě tyto rezonanční absorpce umožnily určit magnetické momenty protonu i deuteronu se zvýšenou přesností. Nicméně, obě molekuly H2 a D2 byly představující vzor různých absorpce, namísto jedné, silné úzké rezonance skupiny očekává. Nový přístroj odhalil podrobnosti o více rezonanční vzor, ale teorie není účet pro získaná data, a Rabi brzy uvědomili, že by to mohlo být vzhledem k existenci další netušené vlastnosti deuteronu: malý, ale konečný elektrický kvadrupólový moment, který je měřítkem nejnižší pořadí odjezdu z kulové rozložení náboje. Tento dalekosáhlý objev, oznámený v roce 1940, byl docela překvapením. To okamžitě povinen teoretiky, aby se vzdali centrální síly předpokládá, že se váží na neutron a proton společně a přiznat, že jaderné síly jsou mnohem složitější, než první jaderné modely časných 1930 předpokládal.
Po rozdíl v roční posloupnost Nobelovy Ceny, kvůli Druhé Světové Válce, to nebylo až do podzimu 1944, že Královská švédská Akademie Věd oznámila, že po roce 1943 se tato cena bude udělena Otto Stern, „za jeho příspěvek k rozvoji molekulární metoda ray a jeho objev magnetického momentu protonu“, a to pro 1944 do Isidor Rabi, „za jeho rezonanční metodu pro záznam magnetických vlastností atomových jader“.
po druhé světové válce se nukleární magnetická rezonance (NMR) stala tahounem pro fyzikální a chemickou analýzu. Ještě později byl rabiho objev rozšířen na zobrazování magnetickou rezonancí (MRI), výkonný lékařský diagnostický nástroj, který se nyní používá v lékařských centrech po celém světě. V následujících desetiletích, molekulární paprsek metoda byla široce přijata fyziky a fyzikální chemie komunity po celém světě, a o 20 Nobelovy Ceny byly uděleny za práci na základě molekulární metoda paprsek; mezi nimi byli Kusch a Ramsey, dva Rabi bývalých spolupracovníků.
bibliografie
Krige, J. (2005) Isidor i. Rabi a CERN. Fyzika v perspektivě 7: 150-164
Rabi, I. I., Rozhovor Thomase S. Kuhna, 8. prosince 1963. Niels Bohr Library \& Archiv, American Institute of Physics, College Park, MD, spojené státy, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, J. S. (1983) Molekulární Paprsek Experimenty na Vodíky během 1930s. Historické Studie v oblasti Fyzikálních Věd 13(2): 335-373
Rigden, J. S. (2008) Rabi, Isidor Isaac. V úplném slovníku vědecké biografie. Svazek. 24. Detroit: synové Charlese Scribnera, Detroit. s. 191-197. Gale Virtual Reference Library
http://go.galegroup.com/ps/i.do?id=GALE%7CCX2830906032&v=2.1&u=mpi_vb&it=r&p=GVRL&sw=w&asid=49bfc365b28fab40b3d973344d8135cf
Toennies, J. P. et al. (2011) Otto Stern (1888-1969): Zakladatel experimentální atomové fyziky. Annalen der Physik 523(12):1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, i. I. V nositelů Nobelovy Ceny, H. W. Wilson Company, New York, s. 847-849