af Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobelprisen i fysik 1944
“for hans resonansmetode til registrering af atomkernernes magnetiske egenskaber”.
som Norman Ramsey, en af Isidor Rabi ‘ s biografer understregede, “nogle forskere yder deres største bidrag gennem deres egen personlige forskning, mens andre bedst huskes for deres generelle visdom og deres indflydelse på andre. Nogle få, inklusive Rabi, udmærker sig i begge henseender.”Det ville faktisk være reduktivt at tale om Rabi’ s vigtige opdagelser, som førte til hans Nobelpris i 1944, uden at nævne, hvordan hans indflydelse strakte sig langt ud over hans eget laboratorium, og hvordan mange succesrige satsninger i nationalt og internationalt samarbejde inden for videnskab blev realiseret under hans visionære ledelse som videnskabsmand. Han var især en af grundlæggerne af Brookhaven National Laboratory og en hovedpromotor for CERN-laboratoriet. Hans store omdømme og hans kontakter, med de førende fysikere såvel som med De Forenede Nationers regeringsledere, blev til værdifulde værktøjer, da han blev talsmand for fredelig brug af atomenergi.
bliver en dygtig i kvanteteori
Isidor Isaac Rabi blev født i Rymanu, Østrig-Ungarn, i 1898, i slutningen af det 19.århundrede, da røntgenstråler, radioaktivitet og elektronen blev opdaget. Det følgende år flyttede hans forældre til Ny York City, hvor han gik på offentlig skole, men fik meget af sin uddannelse og interesse for videnskab gennem bøger lånt fra det offentlige bibliotek. I 1916, efter eksamen fra gymnasiet, gik Rabi ind på Cornell University med et stipendium, der startede inden for elektroteknik, men dimitterede inden for kemi. Efter tre år langt fra universitetet vendte han først tilbage til Cornell for at udføre kandidatarbejde inden for Kemi og flyttede et år senere til Columbia University og vendte sig til fysik.
i 1923, da Rabi begyndte sine fysikstudier, opdagede han, at hans reelle interesse var kvanteteorien. Imidlertid var ingen fysikprofessor ved Columbia virkelig fortrolig med sådanne nyheder, der kom fra Europa, og han måtte vælge et afhandlingsemne, der involverede måling af den magnetiske modtagelighed af en række krystallinske salte. I mellemtiden organiserede han en studiegruppe af medstuderende til at kæmpe med kvantemekanik. I Juli 1927 sendte Rabi sin doktorafhandling til tidsskriftet fysisk gennemgang, og den næste dag giftede han sig med Helen Nymark. Kort efter, som mange andre amerikanske unge fysikere, tog han på et rejsefællesskab til Europa for at få et nærmere overblik over pionererne inden for den nye kvantemekanik.
en Europaturnering gennem kvantemekanikernes Centre
i løbet af de første måneder besøgte Rabi Ervin Schr. Sidstnævnte sørgede for, at Rabi blev i Hamborg med Ulvgang Pauli, der på det tidspunkt var samarbejdspartner med Otto Stern, en af grundlæggerne af eksperimentel atomfysik, der ikke inkluderede spektroskopi. I slutningen af oktober ankom Rabi der med Yoshio Nishina, der besøgte Europa fra Japan. Rabi kendte godt Stern-Gerlach-eksperimentet fra 1922, som havde vist sig at være en af milepæle på vejen til moderne kvantefysik. Ved oprettelsen af dette eksperiment blev Stern styret af Sommerfelds udvidelse af Bohr – teorien om atomet – en udvidelse uafhængigt fremsat af Peter Debye-hvor der ud over de sædvanlige kvantetal for kredsløbets størrelse og form blev foreslået en Kvantisering af den rumlige orientering af de “Keplerian” elektronbaner omkring kernen, et forslag kaldet rumkvantisering. På grund af en enkelt elektrons orbitalbevægelse kan et atom have et magnetisk øjeblik, der bestemmer dets interaktion med eksterne elektriske og magnetiske felter. Rumlig kvantisering tillod kun udvalgte diskrete orienteringer af hver atommagnet i forhold til retningen af et eksternt anvendt magnetfelt. I Stern-Gerlach-eksperimentet passerede en kollimeret stråle af sølvatomer, alle med det samme magnetiske øjeblik, der strømmer fra et lille hul i en opvarmet ovn og bevæger sig med termiske hastigheder, gennem et stærkt ikke-ensartet magnetfelt. På sin vej mellem ovnen og detektoren vil magnetfeltet udøve et drejningsmoment på den magnetiske dipol, som således vil præcessere om magnetfeltets retning. Det ikke-ensartede felt vil også udøve på det magnetiske øjeblik en tværgående kraft, hvis størrelse og retning afhænger af orienteringen af atomets magnetiske øjeblik i forhold til retningen af det eksternt påførte magnetfelt. Komponenten af det magnetiske øjeblik parallelt med feltretningen påvirkes ikke.
det klassiske billede indeholder ingen begrænsning på den vinkel, hvormed atommagneten kan præcessere om magnetfeltet. Forventningen er, at atomernes magnetiske dipolmomenter på grund af termiske virkninger i ovnen vil blive tilfældigt orienteret i rummet med hensyn til feltets retning. Bevægelsesretningerne for atomerne i den oprindelige stråle ville blive forskudt af tilfældige mængder vinkelret på bevægelsesretningen for den oprindelige stråle. En kontinuerlig gradering af afbøjninger skulle således forekomme, og den transmitterede stråle ville blot sprede sig som en ventilator.
faktisk fandt Stern og Gerlach, at moderstrålen på den kolde glasdetektorplade splittede sig i to forskellige dele-uden spor af sølvatomer i det centrale område, hvor man ville have forventet de ubesvarede atomer – hvilket antyder, at i tilfælde af sølvatomer er kun to forskellige retninger tilladt med hensyn til magnetfeltets retning. Stern og Gerlach betragtede således deres resultat som en afgørende afvisning af den klassiske teori og afviste den klassiske Larmor-teori, som var baseret på kontinuerlige værdier for retningen af de magnetiske øjeblikke. Men på samme tid betragtede de fejlagtigt fænomenet som en bekræftelse af den gamle kvanteteori, ifølge hvilken sølvatomets magnetiske øjeblik skyldtes elektronernes orbitale vinkelmoment.
ubevidst havde de faktisk været de første til at observere kvantiseringen af magnetisk øjeblik forbundet med elektronspin, fordi deres sølvatomer faktisk var i jordtilstand, med total orbital magnetisk øjeblik lig med nul, således at atomets magnetiske dipolmoment helt skyldtes elektronens spin, et nyt kvantetal, der ville blive introduceret i 1925 af George Uhlenbeck og Samuel Goudsmit.
Stern-Gerlach-eksperimentet, en tidlig triumf for molekylærstrålemetoden, der tilbyder andet end spektroskopisk bevis for, at kvanteobjekter udviser adfærd, der er uforenelig med klassisk fysik, havde bedøvet og fascineret Rabi som studerende, da han stadig var skeptisk over for kvanteteorien. Han blev overbevist om, at systemet med ideer, der ligger til grund for Bohr-atomet, og forsøgene på at udvide disse ideer til andre atomfænomener var velbegrundede og begyndte at studere og diskutere med sine venner alle de papirer, der gradvist ville blive indarbejdet i den formelle struktur af den nye kvantemekanik.
mens han arbejdede med Nishina og Pauli om teoretisk arbejde, tilbragte han nogen tid i Sterns laboratorium og udførte med succes det, der blev hans første molekylærstråleeksperiment. Magnetfeltkonfigurationen, han designet til at afbøje strålepartiklerne, blev kendt som Rabi-feltet. Rabi arbejde i Stern laboratorium var afgørende for at vende sin interesse mod molekylær stråle forskning.
efter Hamburg tog Rabi til Leipsig for at arbejde sammen med Heisenberg, men i mellemtiden forlod Pauli Hamborg for en stol i byen, og i marts 1929 fulgte Rabi og Robert Oppenheimer, som han havde mødt for første gang i byen, ham til byen. Endnu en gang var det en vidunderlig lejlighed til at blive bekendt med nogle af de fineste sind inden for fysik, men hans ophold sluttede, da Rabi i slutningen af marts modtog et kabel fra Columbia University og tilbød ham et forelæsning ved fysikafdelingen. De søgte efter en teoretisk fysiker, der kunne undervise i den nye kvantemekanik, og Heisenberg selv havde under et besøg i Columbia stærkt anbefalet Rabi til en sådan stilling. Han accepterede straks, og den 1.August 1929 forlod han Europa med sin unge kone. Hans videnskabelige læreplads var afsluttet, han havde udviklet en ny bevidsthed og viden om fysik ved selve kilderne til den nye kvantemekanik.
molekylære bjælker til at undersøge kernen
Rabi viet sit første år på Columbia som foredragsholder udelukkende til den anstrengende indsats for at undervise i de mest avancerede kurser i afdelingen. Således begyndte hans gennemgribende indflydelse på amerikansk fysik. I løbet af de følgende to år gjorde han teoretisk forskning i solid state fysik, men hans tanker var meget ofte rettet mod molekylære bjælker.
i 1931 forsøgte Harold Urey, Rabi ‘ s Columbia-kollega, at bestemme det nukleare spin af natrium ved en analyse af dets spektrum med ufattelige resultater. På det tidspunkt inspirerede hans mangeårige engagement i isotopforskning ham til at søge efter deuterium, hydrogen-2-isotopen, hvis eksistens han faktisk annoncerede i den fysiske gennemgang på nytårsdag, 1932. For denne opdagelse Urey blev derefter tildelt Nobelprisen i kemi 1934. Bare syv uger senere annoncerede James den “mulige eksistens af en neutron”, en grundlæggende opdagelse, der officielt åbnede den nukleare æra.
men i 1931 var neutronen endnu ikke der, og atomkernen var stadig en terra incognita, et uudforsket område, der snart blev domænet for Rabis videnskabelige eventyr. Rabi så, at molekylærstråleteknikken kunne bruges til at tackle den udfordring, der tilbydes af usikkerheden relateret til det nukleare spin af natrium. Det kunne give adgang til grundlæggende spørgsmål relateret til både kvanteverdenen og det nukleare område. Rabi ønskede at måle det magnetiske øjeblik for en kerne på den måde, som Stern havde målt det magnetiske øjeblik for et sølvatom. Imidlertid var der behov for mange forbedringer for at omdanne det grundlæggende Stern-Gerlach-eksperiment til en teknik, der kunne bruges til kvantitative målinger.
i princippet kunne kernemagnetiske egenskaber bestemmes ved analyse af atomspektre, men på grund af minutstørrelsen af de nukleare øjeblikke – tre størrelsesordener mindre end deres elektroniske modstykker – blev eksperimentelle teknikker anstrengt til grænsen, og det var ret vanskeligt at få denne form for information via spektroskopi. Anvendelse af et eksperiment af Stern-Gerlach-typen til måling af nukleare magnetiske egenskaber ville give en uafhængig kontrol af de vanskelige spektroskopiske metoder og samtidig give adgang til nukleare data, der ellers ikke var tilgængelige.
med Gregory Breit, hans kollega fra universitetet, havde Rabi oprettet et fælles seminar for at udforske og diskutere Atom-nukleare fænomener. I 1931 udviklede de en formel, der viste variationen af et atoms magnetiske øjeblik for de forskellige Tidsman niveauer af hyperfin struktur under påvirkning af et eksternt magnetfelt. Strålemetoden kunne således bruges til at undersøge atomernes nukleare magnetiske egenskaber.
med Victor Cohen, hans første kandidatstuderende, begyndte Rabi sit banebrydende eksperimentelle arbejde med den nøjagtige måling af nukleare egenskaber, hvilket bragte ham i spidsen for atomfysik i løbet af det følgende årti. Ved at variere de afbøjende felter langs stien, der blev krydset af natriumatomerne, blev strålen opdelt i individuelle bjælker, hvor hver natriumatomerne var i samme hyperfine kvantetilstand. Det samlede antal beamlets afhang af det nukleare spin af natrium, derfor var alt, hvad de skulle gøre, at tælle antallet af beamlets observeret ved detektoren. Herfra kunne de udlede, at natriumets nukleare spin er 3/2, men i mange måneder meddelte de ikke deres resultater, og de første eksperimentelle resultater blev kun offentliggjort i marts 1933.
i samme år 1933 havde Stern og hans gruppe målt protonens magnetiske øjeblik, som viste sig at være omkring 2,8 gange større end hvad Paul Diracs 1928-teori syntes at forudsige. Dette uventede resultat var faktisk en stor opdagelse. Opdagelsen af elektronens spin havde været af første betydning for at opnå en forståelse af atomstrukturen. Ligeledes forventedes det, at en viden om protonens magnetiske øjeblik ville spille en lignende rolle inden for nuklear struktur.
den grundlæggende karakter af målingerne af Stern og hans samarbejdspartnere fik Rabi til at oprette sit eget eksperiment for at måle protonens – såvel som deuterons – magnetiske øjeblik. Med to postdoktorale stipendiater, J. M. B. Kellog og Jerrold R. Sakarias, Rabi begyndte hurtigt at oprette et eksperiment ved Columbia University for at måle protonens magnetiske øjeblik ved at anvende Breit-Rabi-teorien.
resultater offentliggjort i 1934 indikerede en endnu større værdi end Sterns overraskende resultat. Yderligere forsøg udført i 1936 anvendte en ny metode med to afbøjende magneter, som hver strålepartikel passerede sekventielt. Efter at være blevet afbøjet i det første inhomogene magnetfelt, ville både hurtige og langsomme atomer blive fokuseret igen i detektoren af det andet inhomogene felt og undgå komplikationer forbundet med de fordelte hastigheder af strålepartiklerne. Mellem de to afbøjningsmagneter var der et nyt statisk, T-formet felt. Bjælker, der passerer gennem det statiske felt, så ækvivalenten af et roterende eller oscillerende magnetfelt, som udøvede en vippekraft på det magnetiske øjeblik, hvilket fik det til at vende fra en orientering til en anden, når det tilsyneladende felt havde en vinkelhastighed, der var omtrent lig med Larmor-præcessionsfrekvensen for det magnetiske øjeblik omkring magnetfeltet. Undersøgelsen af disse stimulerede overgange mellem magnetiske tilstande af hydrogenatomet tillod for første gang at bestemme, at protonens og deuterons magnetiske øjeblikke er positive. Effekten af dette nye arrangement var, at det i høj grad forbedrede de eksperimentelle resultater, hvilket reducerede usikkerheden i den målte værdi af protonens magnetiske øjeblik fra 10 procent til 5 procent og 4 procent i stedet for 26 procent for deuteron. Men ikke kun gav disse resultater bedre værdier og tegn på øjeblikket, men også neutronens magnetiske øjeblik.
den magnetiske resonansmetode
gennem det meste af 1930 ‘ erne Rabi og hans samarbejdspartnere, som på dette tidspunkt også omfattede Polykarp Kusch, Sydney Millmann og Norman Ramsey, fortsatte med at undersøge de to første isotoper af hydrogenatomet. Ved planlægningen af et tredje eksperiment blev et apparat, der meget lignede det, der blev brugt i det foregående eksperiment, designet, men i en noget modificeret form. De to stærke inhomogene afbøjningsfelter blev igen sat op til at afbøje strålepartikler i modsatte retninger, og feltstyrken på den anden magnet blev indstillet til nøjagtigt at fortryde, hvad den første magnet gjorde, det vil sige at fokusere strålepartiklerne igen i detektoren. Hvis disse to felter alene virkede på strålen, ville antallet af detekterede atomer være det samme som om der ikke var nogen felter til stede, fordi det andet felt ville kompensere nøjagtigt for det første felts handling.
den virkelige nyhed ved dette eksperiment var, at det tredje enkle statiske T-felt blev suppleret med en svag feltkomponent overlejret vinkelret på det stærke konstante homogene felt og oscillerende ved en justerbar radiofrekvens. Denne oscillerende komponent kunne ændre orienteringen af de præcesserende atomer, der inducerer overgange (flipping over) af de magnetiske øjeblikke lige før de kom ind i det andet konstante inhomogene felt.
i fuld analogi med resonansabsorptionen af synligt lys kunne overgange til forskellige kvantetilstande forekomme fra et hyperfint niveau til et andet, hvis det vekslende felt opfyldte Bohrs frekvensbetingelse for energiforskellen mellem de to niveauer. I stedet for optiske frekvenser behandlede man her normalt frekvenser i radioområdet, fordi forskellene mellem energiniveauerne er meget små. Hvert molekyle så mange cyklusser med samme frekvens, og sandsynligheden for en overgang blev således forbedret. Når Larmor-præcessionsfrekvensen i det statiske felt matcher frekvensen af det oscillerende felt, vender mange atomer til en anden retning og savner detektoren. I dette tilfælde registrerer detektoren et markeret resonansminimum, idet frekvenspositionen for dette minimum bestemmes med den ekstraordinære præcision, der kan opnås med radiofrekvensmåleren. Når larmorfrekvensen ikke længere er i resonans med frekvensen af det oscillerende felt, fokuseres atomerne alle igen i detektoren, og signalet er igen stort.
dette var kernen i magnetisk resonansmetode, den mest signifikante forbedring i molekylære og atomstråleteknikker, som klart tilbød hidtil uset nøjagtighed ved etablering af radiorelationer med elektronens og atomkernens verden. Dens mest direkte anvendelse var måling af nukleare magnetiske øjeblikke. Grundlaget for dette er resonansbetingelsen f=(lolit)/Ih, hvor f er frekvensen af præcession af aksen for nuklear spin i et magnetfelt af styrke H, og lolit er kernens magnetiske øjeblik. Tallet I er det nukleare spin-kvantetal, et heltal eller et halvt heltal, og h er Plancks konstant. Frekvensen af præcession, når den først er detekteret, måles let med høj nøjagtighed, og man kan således bestemme mængden af prish/IH, og det magnetiske øjeblik kan findes, hvis spin er kendt. Derfor, hvis frekvensen af det oscillerende felt langsomt varieres, forekommer et kraftigt fald (resonansfænomenet) i antallet af atomer, der ankommer til detektoren, når frekvensen af feltet er lig med Larmor-frekvensen. Hver sådan resonans giver derefter en værdi af forholdet prisT/IH og dermed af det magnetiske øjeblik.
den første nukleare magnetiske resonanskurve blev sendt til fysisk gennemgang den 15.januar 1938. Målinger på brint med resonansmetoden fortsatte i slutningen af foråret 1938. Som forudsagt blev der observeret to stærke resonanser med molekylet HD, hvoraf den ene var forbundet med protonen, den anden med deuteronen. Begge disse resonansabsorptioner gjorde det muligt at bestemme de magnetiske øjeblikke for både protonen og deuteron med forbedret præcision. Imidlertid præsenterede både molekylerne H2 og D2 et mønster med forskellige absorptioner i stedet for den enkelte, stærke smalle resonans, som gruppen forventede. Et nyt apparat afslørede detaljerne i det multiple resonansmønster, men teorien redegjorde ikke for de opnåede data, og Rabi indså snart, at dette kunne skyldes eksistensen af en anden uventet egenskab ved deuteron: et lille, men endeligt elektrisk firpolet øjeblik, som er et mål for laveste ordens afvigelse fra en sfærisk ladningsfordeling. Denne vidtrækkende opdagelse, der blev annonceret i 1940, var en ganske overraskelse. Det forpligtede straks teoretikere til at give afkald på de centrale kræfter, der antages at binde neutronen og protonen sammen, og indrømme, at atomkræfter er meget mere komplekse end de første atommodeller i begyndelsen af 1930 ‘ erne havde antaget.
efter kløften i den årlige rækkefølge af Nobelpriser på grund af Anden Verdenskrig var det først i efteråret 1944, at Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi meddelte, at prisen for 1943 ville blive tildelt Otto Stern, “for hans bidrag til udviklingen af molekylærstrålemetoden og hans opdagelse af protonens magnetiske øjeblik”, og det for 1944 til Isidor Rabi, “for hans resonansmetode til registrering af atomkernernes magnetiske egenskaber”.
efter Anden Verdenskrig blev kernemagnetisk resonans (NMR) en arbejdshest til fysisk og kemisk analyse. Endnu senere blev Rabis opdagelse udvidet til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), et kraftfuldt medicinsk diagnostisk værktøj, som nu bruges i medicinske centre over hele verden. I de efterfølgende årtier er molekylærstrålemetoden blevet bredt vedtaget af fysik og fysisk kemi samfund over hele verden, og omkring 20 Nobelpriser blev tildelt for arbejde baseret på molekylærstrålemetoden; blandt dem var der Kusch og Ramsey, to af Rabis tidligere samarbejdspartnere.
bibliografi
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi og CERN. Fysik i perspektiv 7: 150-164
Rabi, I. I., Samtale af Thomas S. Kuhn, 8. December 1963. Niels Bohr Library \ & arkiv, American Institute of Physics, College Park, MD USA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, J. S. (1983) Molekylærstråleeksperimenter på hydrogener i 1930 ‘ erne. historiske studier i de fysiske videnskaber 13(2): 335-373
Rigden, J. S. (2008) Rabi, Isidor Isaac. I Komplet Ordbog over videnskabelig biografi. Vol. 24. Detroit: Charles Scribners Sønner, 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): Grundlæggeren af eksperimentel atomfysik. Annalen der Physik 523(12):1045-1070
Vasson T. (ed) (1987) Rabi, I. I. I Nobelprisvindere, H. V. Vilson Company, Ny York, s. 847-849