írta: Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
fizikai Nobel-Díj 1944
“az atommagok mágneses tulajdonságainak rögzítésére szolgáló rezonancia módszeréért”.
mint Norman Ramsey, Isidor Rabi egyik életrajzírója hangsúlyozta: “egyes tudósok a legnagyobb hozzájárulást saját személyes kutatásaik révén teszik, míg másokra leginkább általános bölcsességük és másokra gyakorolt hatásuk miatt emlékeznek. Néhány, köztük Rabi, mindkét szempontból kiváló.”Valójában reduktív lenne Rabi fontos felfedezéseiről beszélni, amelyek 1944-ben Nobel-díjhoz vezettek, anélkül, hogy megemlítenénk, hogy befolyása messze túlmutat saját laboratóriumán, és hogy a tudomány államférfiként való látomásos vezetése alatt számos sikeres vállalkozás valósult meg a nemzeti és nemzetközi tudományos együttműködésben. Különösen a Brookhaven Nemzeti Laboratórium egyik alapítója és a CERN laboratórium fő támogatója volt. Nagy hírneve és kapcsolatai a vezető fizikusokkal, valamint az ENSZ kormányzati vezetőivel értékes eszközökké váltak, amikor az atomenergia békés felhasználásának szószólójává vált.
szakértővé válás a kvantumelméletben
Isidor Isaac Rabi 1898-ban született Rymanow-ban, Ausztria-Magyarországon, a 19.század legvégén, amikor felfedezték a röntgensugarakat, a radioaktivitást és az elektronokat. A következő évben szülei New Yorkba költöztek, ahol állami iskolába járt, de oktatásának és a tudomány iránti érdeklődésének nagy részét a nyilvános könyvtárból kölcsönzött könyvek révén szerezte meg. 1916-ban, a középiskola elvégzése után Rabi ösztöndíjjal lépett be a Cornell Egyetemre, kezdve az elektrotechnikával, de a kémia területén végzett. Az egyetemtől távol töltött három év után először visszatért Cornellbe, hogy kémiai diplomát szerezzen, egy évvel később a Columbia Egyetemre költözött, és a fizika felé fordult.
1923-ban, amikor Rabi elkezdte fizikai tanulmányait, felfedezte, hogy valódi érdeklődése a kvantumelmélet. Azonban a Columbia egyik fizikaprofesszora sem volt igazán jártas az Európából érkező ilyen újdonságokban, ezért olyan disszertációs témát kellett választania, amely magában foglalta a kristályos sók sorozatának mágneses érzékenységének mérését. Időközben szervezett egy tanulmányi csoport diáktársak birkózni kvantummechanika. 1927 júliusában Rabi benyújtotta doktori disszertációját a Physical Review folyóiratba, másnap pedig feleségül vette Helen Newmarkot. Nem sokkal később, mint sok más amerikai fiatal fizikus, Európába utazott, hogy közelebbről megismerje az új kvantummechanika úttörőit.
európai körút a kvantummechanika központjain
az első hónapokban Rabi meglátogatta a Zürichi Erwin Schr Xhamdingert, a müncheni Arnold Sommerfeldet és a Koppenhágai Niels Bohr-t. Ez utóbbi gondoskodott arról, hogy Rabi Hamburgban maradjon Wolfgang Pauli, aki abban az időben munkatársa volt Otto Stern, a kísérleti Atomfizika egyik alapító atyja, a spektroszkópia nélkül. Október végén Rabi Yoshio Nishinával érkezett oda, aki Japánból látogatott Európába. Rabi jól ismerte az 1922-es Stern-Gerlach kísérletet, amely a modern kvantumfizika felé vezető út egyik mérföldkövének bizonyult. Ennek a kísérletnek a felállításakor Sternt Sommerfeld az atom Bohr – elméletének kiterjesztése-Peter Debye által önállóan előterjesztett kiterjesztés-vezérelte, amelyben a pályák méretére és alakjára vonatkozó szokásos kvantumszámok mellett a “Keplerian” elektron térbeli orientációjának kvantálását javasolták a mag körül, egy javaslatot, amelyet űr kvantálásnak neveznek. Egyetlen elektron orbitális mozgása miatt az atom mágneses Momentummal rendelkezik, amely meghatározza a külső elektromos és mágneses mezőkkel való kölcsönhatását. A térbeli kvantálás csak az egyes atommágnesek kiválasztott diszkrét orientációit tette lehetővé a külsőleg alkalmazott mágneses mező irányához viszonyítva. A Stern-Gerlach kísérletben egy ezüst atomok kollimált sugara, amelyek mindegyike azonos mágneses Momentummal rendelkezik, egy fűtött kemence apró lyukából áramlik, és hősebességgel mozog, áthaladt egy erős, nem egyenletes mágneses mezőn. A kemence és a detektor közötti úton a mágneses mező nyomatékot fejt ki a mágneses dipólusra, amely így a mágneses mező irányába halad. A nem egyenletes mező a mágneses momentumra is keresztirányú erőt fejt ki, amelynek nagysága és iránya az atom mágneses momentumának a külsőleg alkalmazott mágneses mező irányához viszonyított irányától függ. A mágneses momentum komponensét a mező irányával párhuzamosan nem befolyásolja.
a klasszikus kép nem tartalmaz korlátozást arra a szögre, amelyen az atommágnes precesszálhat a mágneses mező körül. Az elvárás az, hogy a kemencében fellépő hőhatások miatt az atomok mágneses dipólusmomentumai véletlenszerűen orientálódnak a térben a mező irányához képest. Az atomok mozgásirányait a kezdeti sugárban véletlenszerű mennyiségekkel tolnák el, merőlegesek a kezdeti sugár mozgásirányára. Így az elhajlások folyamatos fokozatossága következik be, és az átvitt sugár csak úgy szétterül, mint egy ventilátor.
valójában Stern és Gerlach azt találták, hogy a hideg üveg detektorlemezen a szülőnyaláb két különálló részre oszlik-az ezüstatomok nyomai nélkül a központi régióban, ahol az ember elvárta volna a nem lefejtett atomokat – ami azt jelenti, hogy az ezüstatomok esetében csak két különböző irány megengedett a mágneses mező irányához képest. Stern és Gerlach ezért eredményüket a klasszikus elmélet döntő cáfolatának tekintették, megcáfolva a klasszikus Larmor-elméletet, amely a mágneses momentumok irányának folyamatos értékein alapult. Ugyanakkor tévesen a jelenséget a régi kvantumelmélet megerősítésének tekintették, amely szerint az ezüstatom mágneses pillanata az elektronok orbitális szögimpulzusának köszönhető.
tudtukon kívül ők voltak az elsők, akik megfigyelték az elektron spinhez kapcsolódó mágneses momentum kvantifikációját, mert ezüst atomjaik valójában alapállapotban voltak, a teljes orbitális mágneses momentum nulla volt, így az atom mágneses dipólus momentuma teljes egészében az elektron spinjének köszönhető, egy új kvantumszámnak, amelyet George Uhlenbeck és Samuel Goudsmit vezetett be 1925-ben.
a Stern-Gerlach-kísérlet, a molekuláris sugár módszer korai diadala, amely nem spektroszkópiai bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a kvantumobjektumok viselkedése összeegyeztethetetlen a klasszikus fizikával, megdöbbentette és felkeltette Rabi érdeklődését diákként, amikor még szkeptikus volt a kvantumelmélettel kapcsolatban. Ő lett győződve arról, hogy a rendszer az ötletek alapjául szolgáló Bohr atom és a kísérletek kiterjeszteni ezeket az ötleteket, hogy más atomi jelenségek jól megalapozott, és elkezdte tanulmányozni, és megvitassák a barátaival a papírokat, hogy fokozatosan beépül a formális szerkezete az új kvantummechanika.
miközben nishinával és Paulival elméleti munkákon dolgozott, egy kis időt töltött Stern laboratóriumában, és sikeresen végrehajtotta első molekuláris sugárkísérletét. A mágneses mező konfigurációja, amelyet a sugárrészecskék eltérítésére tervezett, Rabi mezőként vált ismertté. Rabi Stern laboratóriumában végzett munkája meghatározó volt abban, hogy érdeklődését a molekuláris sugárkutatás felé fordítsa.
Hamburg után Rabi Lipcsébe ment dolgozni Werner Heisenberg, de közben Pauli elhagyta Hamburgot egy széket Zürichben és március 1929 Rabi és Robert Oppenheimer, akivel először találkozott Lipcsében, követte őt Zürichbe. Ismét csodálatos alkalom volt arra, hogy megismerkedjen a fizika legkiválóbb elméivel, de zürichi tartózkodása akkor ért véget, amikor, március végén, Rabi kábelt kapott a Columbia Egyetemen, előadást kínálva neki a fizika tanszéken. Olyan elméleti fizikust kerestek, aki megtaníthatja az új kvantummechanikát, és Heisenberg maga is Columbia látogatása során erősen ajánlotta Rabi-t egy ilyen pozícióra. Elfogadta azonnal, és augusztus 1-jén, 1929-ben elhagyta Európát a fiatal feleségével. Tudományos gyakornoksága véget ért, új fizikai tudatosságot és ismereteket fejlesztett ki az új kvantummechanika forrásainál.
Molecular Beams to Probe the Nucleus
Rabi első évét Columbia-ban oktatóként kizárólag a tanszék legfejlettebb tanfolyamainak fárasztó erőfeszítéseinek szentelte. Így kezdődött átható hatása az amerikai fizikára. A következő két évben elméleti kutatásokat végzett a szilárdtest fizikában, de gondolatai nagyon gyakran a molekuláris gerendákra irányultak.
1931-ben Harold Urey, Rabi Columbia kollégája megpróbálta meghatározni a nátrium nukleáris spinjét spektrumának elemzésével, meggyőző eredményekkel. Abban az időben az izotópkutatásban való hosszú távú részvétele arra ösztönözte, hogy keressen deutériumot, a hidrogén-2 izotópot, amelynek létezését valójában bejelentette a fizikai áttekintés 1932-ben újév napján. Ehhez a felfedezéshez Urey 1934-ben elnyerte a kémiai Nobel-díjat. Csak hét héttel később, James Chadwick bejelentette a “neutron lehetséges létezését”, alapvető felfedezés, amely hivatalosan megnyitotta a nukleáris korszakot.
1931-ben azonban a neutron még nem volt ott, és az atommag még mindig terra incognita volt, egy felderítetlen terület, amely hamarosan Rabi tudományos kalandjainak területévé vált. Rabi úgy látta, hogy a molekuláris sugár technika felhasználható a nátrium nukleáris spinjével kapcsolatos bizonytalanság által kínált kihívás kezelésére. Hozzáférést biztosíthat mind a kvantumvilággal, mind a nukleáris Birodalommal kapcsolatos alapvető kérdésekhez. Rabi meg akarta mérni a mag mágneses pillanatát úgy, ahogy Stern mérte az ezüst atom mágneses pillanatát. Számos finomításra volt azonban szükség ahhoz, hogy az alapvető Stern-Gerlach kísérletet kvantitatív mérésekhez használható technikává alakítsák.
elvileg a magmágneses tulajdonságokat az atomspektrumok elemzésével lehetett meghatározni, de a nukleáris momentumok percmérete miatt – három nagyságrenddel kisebb, mint elektronikus társaik – a kísérleti technikákat a határig feszítették, és meglehetősen nehéz volt ilyen típusú információt szerezni spektroszkópia. A Stern-Gerlach TÍPUSÚ KÍSÉRLET alkalmazása a magmágneses tulajdonságok mérésére független ellenőrzést biztosítana a nehéz spektroszkópiai módszerekről, ugyanakkor hozzáférést biztosítana az egyébként nem elérhető nukleáris adatokhoz.
Gregory Breit, a New York-i Egyetem munkatársa, Rabi közös szemináriumot hozott létre az atom-nukleáris jelenségek feltárására és megvitatására. 1931-ben kifejlesztettek egy képletet, amely megmutatta az atom mágneses momentumának változását a hiperfinom szerkezet különböző Zeeman-szintjeire egy külső mágneses mező hatására. A sugár módszer tehát felhasználható az atomok magmágneses tulajdonságainak vizsgálatára.
Victor Cohennel, első végzős hallgatójával Rabi megkezdte úttörő kísérleti munkáját a nukleáris tulajdonságok pontos mérésével kapcsolatban, amely a következő évtizedben a nukleáris fizika élvonalába emelte. Az eltérítő mezők változtatásával a nátriumatomok által áthaladó út mentén, a nyalábot külön gerendákra osztották, amelyek mindegyikében a nátriumatomok ugyanabban a hiperfinom kvantumállapotban voltak. A sugarak teljes száma a nátrium nukleáris spinjétől függött, ezért csak annyit kellett tenniük, hogy megszámolták a detektornál megfigyelt sugarak számát. Ebből arra következtethettek, hogy a nátrium nukleáris spinje 3/2, de sok hónapig nem közölték eredményeiket, az első kísérleti eredményeket csak 1933 márciusában tették közzé.
ugyanebben az évben 1933-ban Stern és csoportja megmérte a proton mágneses momentumát, amely körülbelül 2,8-szor nagyobb volt, mint amit Paul Dirac 1928-as elmélete megjósolt. Ez a váratlan eredmény valójában nagy felfedezés volt. Az elektron spinjének felfedezése elsődleges fontosságú volt az atomszerkezet megértésében. Hasonlóképpen várható volt, hogy a proton mágneses pillanatának ismerete hasonló szerepet játszik a nukleáris szerkezet területén.
Stern és munkatársai méréseinek alapvető jellege arra késztette Rabit, hogy saját kísérletet indítson a proton és a deuteron mágneses momentumának mérésére. Két posztdoktori ösztöndíjassal, J. M. B. Kelloggal és Jerrold R. Zacharias-szal, Rabi gyorsan elkezdett egy kísérletet létrehozni a Columbia Egyetemen a proton mágneses momentumának mérésére a Breit-Rabi elmélet alkalmazásával.
az 1934-ben közzétett eredmények még nagyobb értéket jeleztek, mint Stern meglepő eredménye. Az 1936-ban végzett további kísérletek új módszert alkalmaztak két elhajló mágnessel, amelyeken az egyes sugárrészecskék egymás után haladtak át. Miután az első inhomogén mágneses mezőben elhajlottak, mind a gyors, mind a lassú atomokat a második inhomogén mező átirányítja a detektorba, elkerülve a sugárrészecskék elosztott sebességével kapcsolatos szövődményeket. A két eltérítő mágnes között új statikus, T alakú mező volt. A statikus mezőn áthaladó gerendák egy forgó vagy oszcilláló mágneses mezőnek feleltek meg, amely billenő erőt gyakorolt a mágneses momentumra, így az egyik irányból a másikba fordult, amikor a látszólagos mező szögsebessége megközelítőleg megegyezett a mágneses momentum Larmor precessziós frekvenciájával a mágneses mező körül. A hidrogénatom mágneses állapotai közötti stimulált átmenetek vizsgálata először lehetővé tette annak megállapítását, hogy a proton és a deuteron mágneses momentumai pozitívak. Ennek az új elrendezésnek az volt a hatása, hogy jelentősen javította a kísérleti eredményeket, csökkentve a proton mágneses momentumának mért értékének bizonytalanságát 10% – ról 5% – ra és 4% – ra a deuteron 26% helyett. De nem csak ezek az eredmények jobb értékeket és a pillanat jeleit szolgáltatták, hanem a neutron mágneses pillanatát is.
a mágneses rezonancia módszer
az 1930-as évek nagy részében Rabi és munkatársai, köztük Polykarp Kusch, Sydney Millmann és Norman Ramsey, folytatták a hidrogénatom első két izotópjának vizsgálatát. Egy harmadik kísérlet megtervezésekor az előző kísérletben használthoz nagyon hasonló készüléket terveztek, de kissé módosított formában. A két erős inhomogén eltérítő mezőt ismét úgy állították be, hogy a sugárrészecskéket ellentétes irányba tereljék, és a második mágnes térerősségét úgy állították be, hogy pontosan visszavonja azt, amit az első mágnes tett, vagyis a sugárrészecskéket a detektorba fókuszálja. Ha ez a két mező önmagában hatna a sugárra, akkor a detektált atomok száma megegyezik, mintha nincsenek mezők, mert a második mező pontosan kompenzálná az első mező hatását.
ennek a kísérletnek az igazi újdonsága az volt, hogy a harmadik egyszerű statikus t-mezőt egy gyenge térkomponens egészítette ki, amely az erős állandó homogén mezőre merőlegesen helyezkedik el, és állítható rádiófrekvencián oszcillál. Ez az oszcilláló komponens megváltoztathatja a mágneses pillanatok átmenetét (átfordulását) előidéző precesszáló atomok orientációját, mielőtt belépnének a második állandó inhomogén mezőbe.
a látható fény rezonancia-abszorpciójának teljes analógiájával a Zeeman hiperfinom szintjétől a másikig különböző kvantumállapotokba történő átmenet fordulhat elő, ha a váltakozó mező kielégíti Bohr frekvenciafeltételét a két szint közötti energiakülönbség szempontjából. Az optikai frekvenciák helyett azonban itt általában a rádiótartomány frekvenciáival foglalkozunk, mivel az energiaszintek közötti különbségek nagyon kicsiek. Minden molekula ugyanazon frekvenciájú ciklusokat látott, így az átmenet valószínűsége nőtt. Amikor a statikus mezőben a Larmor precessziós frekvencia megegyezik az oszcilláló mező frekvenciájával, sok atom egy másik irányba fordul, és hiányzik a detektor. Ebben az esetben a detektor jelzett rezonancia minimumot regisztrál, ennek a minimumnak a frekvenciapozícióját a rádiófrekvenciás mérővel elérhető rendkívüli pontossággal határozzák meg. Amikor a Larmor-frekvencia már nem rezonál az oszcilláló mező frekvenciájával, az atomok mind átkerülnek a detektorba, és a jel ismét nagy.
ez volt a magja a mágneses rezonancia módszernek, a molekuláris és atomnyaláb technikák legjelentősebb fejlesztésének, amely egyértelműen példátlan pontosságot kínált az elektron és az atommag világával való rádiókapcsolatok kialakításában. Legközvetlenebb alkalmazása a magmágneses momentumok mérése volt. Ennek alapja az f=(xhamh)/Ih rezonancia állapot, amelyben f A nukleáris spin tengelyének precessziójának frekvenciája a H erősségű mágneses mezőben, a ^ pedig a mag mágneses momentuma. Az I szám a nukleáris spin-kvantumszám, egész vagy fél-egész szám, h pedig Planck-állandó. A precesszió frekvenciája, ha már detektálták, könnyen mérhető nagy pontossággal, így meghatározható a mennyiség, ha a centrifugálás ismert, akkor a mágneses momentum is megtalálható. Ezért, ha az oszcilláló mező frekvenciája lassan változik, akkor a detektorba érkező atomok számában éles csökkenés (rezonancia jelenség) következik be, amikor a mező frekvenciája megegyezik a Larmor frekvenciával. Ezután minden ilyen rezonancia megadja a (Z) hányados értékét, tehát a mágneses momentum értékét.
az első nukleáris mágneses rezonancia görbét 15.január 1938-án fizikai felülvizsgálatra küldték. A rezonancia módszerrel végzett hidrogénmérések 1938 késő tavaszán folytatódtak. Az előrejelzések szerint két erős rezonanciát figyeltek meg a HD molekulával, amelyek közül az egyik a protonnal, a másik a deuteronnal társult. Mindkét rezonancia abszorpció lehetővé tette mind a proton, mind a deuteron mágneses momentumainak pontosabb meghatározását. Azonban mind a H2, mind a D2 molekulák különböző abszorpciós mintázatot mutattak, a csoport által várt egyetlen, erős keskeny rezonancia helyett. Egy új készülék feltárta a többszörös rezonancia mintázat részleteit, de az elmélet nem vette figyelembe a kapott adatokat, és Rabi hamarosan rájött, hogy ennek oka lehet A deuteron egy másik, nem várt tulajdonsága: egy kicsi, de véges elektromos kvadrupól momentum, amely a legalacsonyabb rendű eltérés mértéke a gömb alakú töltéseloszlástól. Ez a messzemenő felfedezés, amelyet 1940-ben jelentettek be, meglehetősen meglepő volt. Azonnal arra kötelezte a teoretikusokat, hogy mondjanak le a neutron és a proton összekapcsolására feltételezett központi erőkről, és ismerjék el, hogy a nukleáris erők sokkal összetettebbek, mint az 1930-as évek első nukleáris modelljei feltételezték.
a második világháború miatt a Nobel-díjak évenkénti egymás utáni szünete után csak 1944 őszén jelentette be a Svéd Királyi Tudományos Akadémia, hogy 1943-ban a díjat Otto Stern kapja “a molekulasugár-módszer kifejlesztéséhez és a proton mágneses momentumának felfedezéséhez való hozzájárulásáért”, 1944-ben pedig Isidor Rabi “az atommagok mágneses tulajdonságainak rögzítésére szolgáló rezonancia-módszeréért”.
a második világháború után a nukleáris mágneses rezonancia (NMR) a fizikai és kémiai analízis munkalovává vált. Még később Rabi felfedezését kiterjesztették a mágneses rezonancia képalkotásra (MRI), egy hatékony orvosi diagnosztikai eszközre, amelyet ma az orvosi központokban használnak az egész világon. A következő évtizedekben a molekuláris sugár módszer széles körben elfogadott a fizika és a fizikai kémia közösségek világszerte, és mintegy 20 Nobel-díjat ítéltek oda a molekuláris sugár módszeren alapuló munkáért; köztük volt Kusch és Ramsey, Rabi két korábbi munkatársa.
bibliográfia
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi és a CERN. Fizika perspektívában 7: 150-164
Rabi, I. I., Interjú Thomas S. Kuhn, December 8, 1963. Niels Bohr Könyvtár \& Archívum, Amerikai Fizikai Intézet, College Park, MD USA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, J. S. (1983) molekuláris Sugárkísérletek a Hidrogéneken az 1930-as években. történeti tanulmányok a fizikai tudományokban 13(2): 335-373
Rigden, J. S. (2008) Rabi, Isidor Isaac. A tudományos életrajz teljes szótárában. Vol. 24. Detroit: Charles Scribner fiai, Detroit. 191-197. o. Gale virtuális referencia könyvtár
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): A kísérleti Atomfizika alapító atyja. Annalen der Physik 523(12): 1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, I. I. Nobel-díjasok, H. W. Wilson Company, New York, 847-849