von Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobelpreis für Physik 1944
„für seine Resonanzmethode zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen“.
Norman Ramsey, einer der Biographen von Isidor Rabi, betonte: „Einige Wissenschaftler leisten ihren größten Beitrag durch ihre eigene persönliche Forschung, während andere am besten für ihre allgemeine Weisheit und ihren Einfluss auf andere in Erinnerung bleiben. Einige, einschließlich Rabi, zeichnen sich in beiden Belangen aus.“ Es wäre eigentlich reduktiv, von Rabis wichtigen Entdeckungen zu sprechen, die 1944 zu seinem Nobelpreis führten, ohne zu erwähnen, wie sein Einfluss weit über sein eigenes Labor hinausging und wie unter seiner visionären Führung als Wissenschaftsstaatsmann viele erfolgreiche Unternehmungen in der nationalen und internationalen Zusammenarbeit in der Wissenschaft realisiert wurden. Insbesondere war er einer der Gründer des Brookhaven National Laboratory und ein Hauptförderer des CERN-Labors. Sein großer Ruf und seine Kontakte zu den führenden Physikern sowie zu den Regierungschefs der Vereinten Nationen wurden zu wertvollen Werkzeugen, als er Sprecher der friedlichen Nutzung der Kernenergie wurde.
Ein Experte in der Quantentheorie werden
Isidor Isaac Rabi wurde 1898 in Rymanow, Österreich-Ungarn, geboren, ganz am Ende des 19.Jahrhunderts, als Röntgenstrahlen, Radioaktivität und das Elektron entdeckt wurden. Im folgenden Jahr zogen seine Eltern nach New York City, wo er die öffentliche Schule besuchte, aber einen Großteil seiner Ausbildung und seines Interesses an der Wissenschaft durch Bücher aus der öffentlichen Bibliothek erlangte. Nach dem Abitur trat Rabi 1916 mit einem Stipendium an die Cornell University ein, zunächst in Elektrotechnik, dann in Chemie. Nach drei Jahren weit weg von der Universität kehrte er zuerst nach Cornell zurück, um in Chemie zu promovieren, ein Jahr später an die Columbia University zu ziehen und sich der Physik zuzuwenden.
1923, als Rabi sein Physikstudium begann, entdeckte er, dass sein eigentliches Interesse der Quantentheorie galt. Allerdings war kein Physikprofessor an der Columbia mit solchen Neuheiten aus Europa wirklich vertraut und er musste ein Dissertationsthema wählen, bei dem die magnetische Suszeptibilität einer Reihe kristalliner Salze gemessen wurde. In der Zwischenzeit organisierte er eine Studiengruppe von Kommilitonen, um sich mit der Quantenmechanik auseinanderzusetzen. Im Juli 1927 reichte Rabi seine Doktorarbeit bei der Zeitschrift Physical Review ein und heiratete am nächsten Tag Helen Newmark. Bald darauf ging er, wie viele andere US-amerikanische Jungphysiker, auf ein Reisestipendium nach Europa, um die Pioniere der neuen Quantenmechanik näher kennenzulernen.
Eine Europatour durch die Zentren der Quantenmechanik
In den ersten Monaten besuchte Rabi Erwin Schrödinger in Zürich, Arnold Sommerfeld in München und Niels Bohr in Kopenhagen. Letzterer arrangierte für Rabi einen Aufenthalt in Hamburg mit Wolfgang Pauli, der zu dieser Zeit Mitarbeiter von Otto Stern war, einem der Gründungsväter der experimentellen Atomphysik ohne Spektroskopie. Ende Oktober kam Rabi dort mit Yoshio Nishina an, der von Japan aus Europa besuchte. Rabi kannte das Stern-Gerlach-Experiment von 1922 gut, das sich als einer der Meilensteine auf dem Weg zur modernen Quantenphysik herausgestellt hatte. Bei der Einrichtung dieses Experiments ließ sich Stern von Sommerfelds Erweiterung der Bohr-Theorie des Atoms leiten – eine Erweiterung, die unabhängig von Peter Debye vorgeschlagen wurde -, in der zusätzlich zu den üblichen Quantenzahlen für die Größe und Form von Bahnen eine Quantisierung der räumlichen Orientierung der „Keplerschen“ Elektronenbahnen um den Kern vorgeschlagen wurde, ein Vorschlag, der als Raumquantisierung bezeichnet wird. Aufgrund der Orbitalbewegung eines einzelnen Elektrons kann ein Atom ein magnetisches Moment besitzen, das seine Wechselwirkung mit externen elektrischen und magnetischen Feldern bestimmt. Die räumliche Quantisierung erlaubte nur ausgewählte diskrete Orientierungen jedes Atommagneten relativ zur Richtung eines extern angelegten Magnetfelds. Im Stern-Gerlach-Experiment durchlief ein kollimierter Strahl von Silberatomen mit demselben magnetischen Moment, der aus einem winzigen Loch eines beheizten Ofens strömte und sich mit thermischen Geschwindigkeiten bewegte, ein starkes ungleichmäßiges Magnetfeld. Auf seinem Weg zwischen dem Ofen und dem Detektor übt das Magnetfeld ein Drehmoment auf den magnetischen Dipol aus, der sich somit um die Richtung des Magnetfeldes präzessiert. Das ungleichmäßige Feld übt auch auf das magnetische Moment eine Querkraft aus, deren Größe und Richtung von der Ausrichtung des magnetischen Moments des Atoms relativ zur Richtung des von außen angelegten Magnetfelds abhängt. Die Komponente des magnetischen Moments parallel zur Feldrichtung wird nicht beeinflusst.
Das klassische Bild enthält keine Beschränkung des Winkels, in dem der Atommagnet sich um das Magnetfeld bewegen kann. Es wird erwartet, dass aufgrund thermischer Effekte im Ofen die magnetischen Dipolmomente der Atome in Bezug auf die Feldrichtung zufällig im Raum ausgerichtet sind. Die Bewegungsrichtungen der Atome im Anfangsstrahl würden um zufällige Beträge senkrecht zur Bewegungsrichtung des Anfangsstrahls verschoben. Es sollte also eine kontinuierliche Abstufung der Umlenkungen erfolgen, und der Sendestrahl würde sich lediglich fächerartig ausbreiten.
Tatsächlich fanden Stern und Gerlach heraus, dass sich der Elternstrahl auf der kalten Glasdetektorplatte in zwei verschiedene Teile aufteilte – ohne Spur von Silberatomen im zentralen Bereich, wo man die undeflektierten Atome erwartet hätte -, was bedeutet, dass im Fall der Silberatome nur zwei unterschiedliche Orientierungen in Bezug auf die Richtung des Magnetfelds zulässig sind. Stern und Gerlach betrachteten ihr Ergebnis daher als entscheidende Widerlegung der klassischen Theorie und widerlegten die klassische Larmor-Theorie, die auf kontinuierlichen Werten für die Richtung der magnetischen Momente beruhte. Gleichzeitig betrachteten sie das Phänomen fälschlicherweise als Bestätigung der alten Quantentheorie, nach der das magnetische Moment des Silberatoms auf den Orbitaldrehimpuls der Elektronen zurückzuführen war.
Unwissentlich waren sie tatsächlich die ersten gewesen, die die Quantisierung des magnetischen Moments im Zusammenhang mit dem Elektronenspin beobachteten, weil sich ihre Silberatome tatsächlich im Grundzustand befanden, wobei das gesamte orbitale magnetische Moment gleich Null war, so dass das magnetische Dipolmoment des Atoms vollständig auf den Spin des Elektrons zurückzuführen war, eine neue Quantenzahl, die 1925 von George Uhlenbeck und Samuel Goudsmit eingeführt wurde.
Das Stern-Gerlach-Experiment, ein früher Triumph der Molekularstrahlmethode, der nicht nur spektroskopische Beweise dafür lieferte, dass Quantenobjekte ein mit der klassischen Physik unvereinbares Verhalten aufweisen, hatte Rabi als Student verblüfft und fasziniert, als er der Quantentheorie noch skeptisch gegenüberstand. Er war überzeugt, dass das dem Bohr-Atom zugrunde liegende Ideensystem und die Versuche, diese Ideen auf andere atomare Phänomene auszudehnen, fundiert waren, und begann, mit seinen Freunden alle Arbeiten zu studieren und zu diskutieren, die nach und nach in die formale Struktur der neuen Quantenmechanik aufgenommen werden sollten.
Während er mit Nishina und Pauli an theoretischen Arbeiten arbeitete, verbrachte er einige Zeit in Sterns Labor und führte erfolgreich sein erstes Molekularstrahlexperiment durch. Die von ihm entworfene Magnetfeldkonfiguration zur Ablenkung der Strahlteilchen wurde als Rabi-Feld bekannt. Rabis Arbeit in Sterns Labor war entscheidend für sein Interesse an der Molekularstrahlforschung.
Nach Hamburg ging Rabi nach Leipzig, um mit Werner Heisenberg zu arbeiten, aber in der Zwischenzeit verließ Pauli Hamburg für einen Lehrstuhl in Zürich und im März 1929 Rabi und Robert Oppenheimer, den er zum ersten Mal in Leipzig getroffen hatte, folgte ihm nach Zürich. Wieder einmal war es eine wunderbare Gelegenheit, einige der besten Köpfe der Physik kennenzulernen, aber sein Aufenthalt in Zürich endete, als Rabi Ende März ein Stipendium der Columbia University erhielt und ihm einen Lehrauftrag am Fachbereich Physik anbot. Sie suchten nach einem theoretischen Physiker, der die neue Quantenmechanik lehren konnte, und Heisenberg selbst hatte Rabi bei einem Besuch in Columbia nachdrücklich für eine solche Position empfohlen. Er akzeptierte sofort, und am 1. August 1929 verließ er Europa mit seiner jungen Frau. Seine wissenschaftliche Lehre war beendet, er hatte ein neues Bewusstsein und Wissen über die Physik an den Quellen der neuen Quantenmechanik entwickelt.
Molekülstrahlen zur Untersuchung des Zellkerns
Rabi widmete sein erstes Jahr an der Columbia als Dozent ausschließlich der anstrengenden Anstrengung, die fortgeschrittensten Kurse der Abteilung zu unterrichten. So begann sein durchdringender Einfluss auf die amerikanische Physik. In den folgenden zwei Jahren forschte er theoretisch in der Festkörperphysik, aber seine Gedanken waren sehr oft auf Molekularstrahlen gerichtet.
1931 versuchte Harold Urey, Rabis Columbia-Kollege, den Kernspin von Natrium durch eine Analyse seines Spektrums zu bestimmen, mit nicht schlüssigen Ergebnissen. Zu dieser Zeit inspirierte ihn sein langjähriges Engagement in der Isotopenforschung zur Suche nach Deuterium, dem Wasserstoff-2-Isotop, dessen Existenz er tatsächlich in der Physical Review am Neujahrstag 1932 bekannt gab. Für diese Entdeckung erhielt Urey 1934 den Nobelpreis für Chemie. Nur sieben Wochen später kündigte James Chadwick die „mögliche Existenz eines Neutrons“ an, eine grundlegende Entdeckung, die offiziell das Atomzeitalter eröffnete.
1931 war das Neutron jedoch noch nicht da und der Atomkern war immer noch eine Terra incognita, ein unerforschtes Gebiet, das bald zum Gebiet von Rabis wissenschaftlichem Abenteuer wurde. Rabi sah, dass die Molekularstrahltechnik verwendet werden könnte, um die Herausforderung der Unsicherheit im Zusammenhang mit dem Kernspin von Natrium anzugehen. Es könnte Zugang zu grundlegenden Fragen im Zusammenhang mit der Quantenwelt und dem nuklearen Bereich bieten. Rabi wollte das magnetische Moment eines Kerns so messen, wie Stern das magnetische Moment eines Silberatoms gemessen hatte. Es waren jedoch viele Verfeinerungen erforderlich, um das grundlegende Stern-Gerlach-Experiment in eine Technik umzuwandeln, die für quantitative Messungen verwendet werden konnte.
Im Prinzip konnten kernmagnetische Eigenschaften durch die Analyse von Atomspektren bestimmt werden, aber aufgrund der winzigen Größe der Kernmomente – drei Größenordnungen kleiner als ihre elektronischen Gegenstücke – waren experimentelle Techniken bis an die Grenzen angespannt und es war ziemlich schwierig, diese Art von Informationen über Spektroskopie zu erhalten. Die Anwendung eines Experiments vom Stern-Gerlach-Typ auf die Messung der kernmagnetischen Eigenschaften würde eine unabhängige Überprüfung der schwierigen spektroskopischen Methoden ermöglichen und gleichzeitig den Zugang zu Kerndaten ermöglichen, die sonst nicht verfügbar wären.
Mit Gregory Breit, seinem Kollegen von der New York University, hatte Rabi ein gemeinsames Seminar eingerichtet, um atomare Phänomene zu erforschen und zu diskutieren. 1931 entwickelten sie eine Formel, die die Variation des magnetischen Moments eines Atoms für die verschiedenen Zeeman-Ebenen der Hyperfeinstruktur unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds zeigte. Die Strahlmethode könnte somit verwendet werden, um die kernmagnetischen Eigenschaften von Atomen zu untersuchen.
Mit Victor Cohen, seinem ersten Doktoranden, begann Rabi seine bahnbrechenden experimentellen Arbeiten zur präzisen Messung der Kerneigenschaften, die ihn im folgenden Jahrzehnt an die Spitze der Kernphysik brachten. Durch Variation der Umlenkfelder entlang des von den Natriumatomen durchlaufenen Weges wurde der Strahl in einzelne Strahlenkörper aufgeteilt, in denen sich die Natriumatome jeweils im gleichen hyperfeinen Quantenzustand befanden. Die Gesamtzahl der Strahlchen hing vom Kernspin des Natriums ab, daher mussten sie nur die Anzahl der am Detektor beobachteten Strahlchen zählen. Daraus konnten sie schließen, dass der Kernspin von Natrium 3/2 ist, aber viele Monate lang teilten sie ihre Ergebnisse nicht mit, und die ersten experimentellen Ergebnisse wurden erst im März 1933 veröffentlicht.
Im selben Jahr 1933 hatten Stern und seine Gruppe das magnetische Moment des Protons gemessen, das etwa 2,8 mal größer war als das, was Paul Diracs Theorie von 1928 vorherzusagen schien. Dieses unerwartete Ergebnis war in der Tat eine große Entdeckung. Die Entdeckung des Spins des Elektrons war von erster Bedeutung für das Verständnis der atomaren Struktur. Ebenso wurde erwartet, dass die Kenntnis des magnetischen Moments des Protons eine ähnliche Rolle auf dem Gebiet der Kernstruktur spielen würde.
Der fundamentale Charakter der Messungen von Stern und seinen Mitarbeitern veranlasste Rabi, ein eigenes Experiment zur Messung des magnetischen Moments des Protons und des Deuterons durchzuführen. Mit zwei Postdoktoranden, J. M. B. Kellog und Jerrold R. Zacharias, begann Rabi schnell, ein Experiment an der Columbia University einzurichten, um das magnetische Moment des Protons zu messen, indem er die Breit-Rabi-Theorie anwendete.
Die 1934 veröffentlichten Ergebnisse zeigten einen noch größeren Wert als Sterns überraschendes Ergebnis. Weitere Versuche, die 1936 durchgeführt wurden, verwendeten eine neue Methode mit zwei Umlenkmagneten, die jedes Strahlteilchen nacheinander passierte. Nach der Ablenkung im ersten inhomogenen Magnetfeld würden sowohl schnelle als auch langsame Atome durch das zweite inhomogene Feld wieder in den Detektor fokussiert, wodurch Komplikationen im Zusammenhang mit den verteilten Geschwindigkeiten der Strahlteilchen vermieden würden. Zwischen den beiden Umlenkmagneten entstand ein neues statisches, T-förmiges Feld. Strahlen, die durch das statische Feld hindurchtreten, sahen das Äquivalent eines rotierenden oder oszillierenden Magnetfelds, das eine Kippkraft auf das magnetische Moment ausübte, wodurch es von einer Orientierung zur anderen kippte, wenn das scheinbare Feld eine Winkelgeschwindigkeit hatte, die ungefähr der Larmorpräzessionsfrequenz des magnetischen Moments um das Magnetfeld entsprach. Die Untersuchung dieser stimulierten Übergänge zwischen magnetischen Zuständen des Wasserstoffatoms erlaubte zum ersten Mal zu bestimmen, dass die magnetischen Momente des Protons und Deuterons positiv sind. Der Effekt dieser neuen Anordnung war, dass sie die experimentellen Ergebnisse erheblich verbesserte und die Unsicherheit im gemessenen Wert des magnetischen Moments des Protons von 10 Prozent auf 5 Prozent und 4 Prozent anstelle von 26 Prozent für das Deuteron verringerte. Diese Ergebnisse lieferten jedoch nicht nur bessere Werte und die Vorzeichen des Moments, sondern auch das magnetische Moment des Neutrons.
Die Magnetresonanzmethode
Während des größten Teils der 1930er Jahre untersuchten Rabi und seine Mitarbeiter, zu denen zu diesem Zeitpunkt auch Polykarp Kusch, Sydney Millmann und Norman Ramsey gehörten, weiterhin die ersten beiden Isotope des Wasserstoffatoms. Bei der Planung eines dritten Experiments wurde eine Vorrichtung entworfen, die der im vorhergehenden Experiment verwendeten sehr ähnlich war, jedoch in einer etwas modifizierten Form. Die beiden starken inhomogenen Ablenkfelder wurden wieder so eingestellt, dass Strahlteilchen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden, und die Feldstärke des zweiten Magneten wurde so eingestellt, dass genau das rückgängig gemacht wird, was der erste Magnet getan hat, dh die Strahlteilchen in den Detektor neu fokussiert werden. Wenn diese beiden Felder allein auf den Strahl einwirken würden, wäre die Anzahl der detektierten Atome dieselbe, als ob keine Felder vorhanden wären, da das zweite Feld genau die Wirkung des ersten Feldes kompensieren würde.
Die wirkliche Neuheit dieses Experiments war, dass das dritte einfache statische T-Feld durch eine schwache Feldkomponente ergänzt wurde, die rechtwinklig zum starken konstanten homogenen Feld überlagert war und mit einer einstellbaren Radiofrequenz oszillierte. Diese oszillatorische Komponente könnte die Orientierung der Präzessionsatome ändern und Übergänge (Umkippen) der magnetischen Momente induzieren, kurz bevor sie in das zweite konstante inhomogene Feld eintreten.
In voller Analogie zur Resonanzabsorption von sichtbarem Licht könnten Übergänge zu verschiedenen Quantenzuständen von einer Zeeman-Hyperfein-Ebene zu einer anderen auftreten, wenn das Wechselfeld Bohrs Frequenzbedingung für die Energiedifferenz zwischen den beiden Ebenen erfüllte. Anstelle von optischen Frequenzen ging man hier jedoch normalerweise mit Frequenzen im Funkbereich um, da die Unterschiede zwischen den Energieniveaus sehr gering sind. Jedes Molekül sah viele Zyklen der gleichen Frequenz und die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs wurde somit erhöht. Wenn die Larmorpräzessionsfrequenz im statischen Feld mit der Frequenz des oszillierenden Feldes übereinstimmt, kippen viele Atome in eine andere Orientierung und verfehlen den Detektor. In diesem Fall registriert der Detektor ein ausgeprägtes Resonanzminimum, dessen Frequenzlage mit der mit dem Hochfrequenzmesser erzielbaren außerordentlichen Genauigkeit bestimmt wird. Wenn die Larmorfrequenz nicht mehr mit der Frequenz des Schwingfeldes in Resonanz steht, werden die Atome alle wieder in den Detektor fokussiert und das Signal ist wieder groß.
Dies war der Kern der Magnetresonanzmethode, der bedeutendsten Verbesserung der molekularen und atomaren Strahltechniken, die eindeutig eine beispiellose Genauigkeit bei der Herstellung von Funkbeziehungen zur Welt des Elektrons und des Atomkerns bot. Seine direkteste Anwendung war die Messung von kernmagnetischen Momenten. Grundlage dafür ist die Resonanzbedingung f=(µH)/Ih, bei der f die Präzessionsfrequenz der Kernspinachse in einem Magnetfeld der Stärke H und μ das magnetische Moment des Kerns ist. Die Zahl I ist die Kernspinquantenzahl, eine ganze oder halbe ganze Zahl, und h ist die Plancksche Konstante. Die Frequenz der Präzession, sobald sie erkannt wird, wird leicht mit hoher Genauigkeit gemessen, und somit kann man die Größe μ / Ih bestimmen, und das magnetische Moment kann gefunden werden, wenn der Spin bekannt ist. Wenn daher die Frequenz des oszillierenden Feldes langsam variiert wird, tritt eine starke Abnahme (das Resonanzphänomen) in der Anzahl der Atome auf, die am Detektor ankommen, wenn die Frequenz des Feldes der Larmorfrequenz entspricht. Jede solche Resonanz ergibt dann einen Wert des Verhältnisses μ / Ih und damit des magnetischen Moments.
Die erste Kernspinresonanzkurve wurde am 15.Januar 1938 zur physikalischen Überprüfung geschickt. Die Messungen an Wasserstoff mit der Resonanzmethode wurden im späten Frühjahr 1938 fortgesetzt. Wie vorhergesagt, wurden zwei starke Resonanzen mit dem Molekül HD beobachtet, von denen eine mit dem Proton, die andere mit dem Deuteron assoziiert war. Beide Resonanzabsorptionen ermöglichten es, die magnetischen Momente sowohl des Protons als auch des Deuterons mit verbesserter Präzision zu bestimmen. Sowohl die Moleküle H2 als auch D2 zeigten jedoch ein Muster unterschiedlicher Absorptionen anstelle der von der Gruppe erwarteten einzelnen, starken engen Resonanz. Ein neuer Apparat enthüllte die Details des Mehrfachresonanzmusters, aber die Theorie berücksichtigte die erhaltenen Daten nicht, und Rabi erkannte bald, dass dies auf die Existenz einer anderen unerwarteten Eigenschaft des Deuterons zurückzuführen sein könnte: ein kleines, aber endliches elektrisches Quadrupolmoment, das ein Maß für die Abweichung niedrigster Ordnung von einer sphärischen Ladungsverteilung ist. Diese weitreichende Entdeckung, die 1940 angekündigt wurde, war eine ziemliche Überraschung. Es zwang die Theoretiker sofort, auf die zentralen Kräfte zu verzichten, von denen angenommen wurde, dass sie Neutron und Proton miteinander verbinden, und zuzugeben, dass die Kernkräfte viel komplexer sind, als die ersten Kernmodelle der frühen 1930er Jahre angenommen hatten.
Nach der Lücke in der jährlichen Folge der Nobelpreise aufgrund des Zweiten Weltkriegs gab die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften erst im Herbst 1944 bekannt, dass der Preis für 1943 an Otto Stern „für seinen Beitrag zur Entwicklung der Molekularstrahlmethode und seine Entdeckung des magnetischen Moments des Protons“ und für 1944 an Isidor Rabi „für seine Resonanzmethode zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen“ vergeben werde.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Kernspinresonanz (NMR) zu einem Arbeitstier für physikalische und chemische Analysen. Noch später wurde Rabis Entdeckung auf die Magnetresonanztomographie (MRT) ausgedehnt, ein leistungsfähiges medizinisches Diagnosewerkzeug, das heute in medizinischen Zentren auf der ganzen Welt eingesetzt wird. In den folgenden Jahrzehnten wurde die Molekularstrahlmethode von der Physik und der physikalischen Chemie weltweit weitgehend übernommen, und etwa 20 Nobelpreise wurden für Arbeiten vergeben, die auf der Molekularstrahlmethode basierten; Unter ihnen waren Kusch und Ramsey, zwei von Rabis ehemaligen Mitarbeitern.
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