di Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Premio Nobel per la Fisica 1944
“per il suo metodo di risonanza per la registrazione delle proprietà magnetiche dei nuclei atomici”.
Come ha sottolineato Norman Ramsey, uno dei biografi di Isidor Rabi, “Alcuni scienziati danno il loro più grande contributo attraverso la loro ricerca personale, mentre altri sono meglio ricordati per la loro saggezza generale e la loro influenza sugli altri. Alcuni, tra cui Rabi, eccellono in entrambi gli aspetti.”Sarebbe in realtà riduttivo parlare delle importanti scoperte di Rabi, che hanno portato al suo premio Nobel nel 1944, senza menzionare come la sua influenza si sia estesa ben oltre il suo laboratorio e come, sotto la sua guida visionaria come statista della scienza, si siano realizzate molte imprese di successo nella cooperazione nazionale e internazionale nel campo della scienza. In particolare, è stato uno dei fondatori del Brookhaven National Laboratory e uno dei principali promotori del laboratorio del CERN. La sua grande reputazione e i suoi contatti, con i principali fisici e con i leader governativi delle Nazioni Unite, si trasformarono in strumenti preziosi quando divenne portavoce dell’uso pacifico dell’energia nucleare.
Diventare un esperto in teoria quantistica
Isidor Isaac Rabi è nato a Rymanow, Austria-Ungheria, nel 1898, alla fine del 19 ° secolo, quando i raggi X, la radioattività e l’elettrone sono stati scoperti. L’anno seguente i suoi genitori si trasferirono a New York City dove frequentò la scuola pubblica, ma acquisendo gran parte della sua educazione e interesse per la scienza attraverso libri presi in prestito dalla biblioteca pubblica. Nel 1916, dopo essersi diplomato al liceo, Rabi entrò alla Cornell University con una borsa di studio, iniziando in ingegneria elettrica, ma laureandosi nel campo della chimica. Dopo tre anni lontano dall’università, tornò prima a Cornell, per fare un lavoro di laurea in chimica, trasferendosi un anno dopo alla Columbia University e passando alla fisica.
Nel 1923, quando Rabi stava iniziando i suoi studi di fisica, scoprì che il suo vero interesse era la teoria quantistica. Tuttavia, nessun professore di fisica alla Columbia era davvero a conoscenza di tali novità provenienti dall’Europa e ha dovuto scegliere un argomento di tesi che prevedeva la misurazione della suscettibilità magnetica di una serie di sali cristallini. Nel frattempo ha organizzato un gruppo di studio di compagni di studio per cimentarsi con la meccanica quantistica. Nel luglio 1927, Rabi presentò la sua tesi di dottorato alla rivista Physical Review, e il giorno dopo sposò Helen Newmark. Subito dopo, come molti altri giovani fisici statunitensi, partì per una borsa di viaggio in Europa, per avere una visione più ravvicinata dei pionieri della nuova meccanica quantistica.
Un tour europeo attraverso i Centri della Meccanica Quantistica
Durante i primi mesi Rabi visitò Erwin Schrödinger a Zurigo, Arnold Sommerfeld a Monaco e Niels Bohr a Copenaghen. Quest’ultimo organizzò per Rabi un soggiorno ad Amburgo, con Wolfgang Pauli, che all’epoca era un collaboratore di Otto Stern, uno dei padri fondatori della fisica atomica sperimentale che non includeva la spettroscopia. Alla fine di ottobre, Rabi arrivò lì con Yoshio Nishina, che stava visitando l’Europa dal Giappone. Rabi conosceva bene l’esperimento Stern-Gerlach del 1922, che si era rivelato essere una delle pietre miliari sul percorso della fisica quantistica moderna. In impostazione di questo esperimento, Stern è stato guidato da Sommerfeld estensione della teoria di Bohr dell’atomo – un’estensione indipendentemente proposto da Peter Debye – in cui, oltre ai soliti numeri quantici per le dimensioni e la forma dell’orbita, una quantizzazione di orientamento spaziale del “Kepleriano” elettrone ruota attorno al nucleo, è stata proposta, una proposta di cui all’come spazio di quantizzazione. A causa del moto orbitale di un singolo elettrone, un atomo può possedere un momento magnetico che determina la sua interazione con campi elettrici e magnetici esterni. La quantizzazione spaziale consentiva solo orientamenti discreti selezionati di ciascun magnete atomico rispetto alla direzione di un campo magnetico applicato esternamente. Nell’esperimento Stern-Gerlach un fascio collimato di atomi d’argento, tutti con lo stesso momento magnetico, che fluiva da un piccolo foro di un forno riscaldato e si muoveva con velocità termiche, passava attraverso un forte campo magnetico non uniforme. Nel suo percorso tra il forno e il rivelatore, il campo magnetico eserciterà una coppia sul dipolo magnetico, che quindi precesserà sulla direzione del campo magnetico. Il campo non uniforme eserciterà anche sul momento magnetico una forza trasversale, la cui grandezza e direzione dipendono dall’orientamento del momento magnetico dell’atomo rispetto alla direzione del campo magnetico applicato esternamente. Il componente del momento magnetico parallelo alla direzione del campo non sarà influenzato.
L’immagine classica non include alcuna restrizione sull’angolo in cui il magnete atomico può precedere il campo magnetico. L’aspettativa è che, a causa degli effetti termici nel forno, i momenti di dipolo magnetico degli atomi saranno orientati casualmente nello spazio rispetto alla direzione del campo. Le direzioni di movimento degli atomi nel raggio iniziale sarebbero spostate da quantità casuali perpendicolari alla direzione di movimento del raggio iniziale. Dovrebbe quindi verificarsi una continua gradazione di deflessioni e il raggio trasmesso si estenderebbe semplicemente come un ventaglio.
In realtà, Stern e Gerlach hanno scoperto che sulla lastra di vetro fredda del rivelatore il fascio genitore si è diviso in due parti distinte-senza traccia di atomi d’argento nella regione centrale, dove ci si sarebbe aspettati gli atomi non rivelati – il che implica che, nel caso degli atomi d’argento, sono consentiti solo due orientamenti distinti rispetto alla direzione del campo magnetico. Stern e Gerlach considerarono quindi il loro risultato una confutazione decisiva della teoria classica, smentendo la teoria classica di Larmor, che si basava su valori continui per la direzione dei momenti magnetici. Ma allo stesso tempo, hanno erroneamente considerato il fenomeno una conferma della vecchia teoria quantistica, secondo la quale il momento magnetico dell’atomo d’argento era dovuto al momento angolare orbitale degli elettroni.
Inconsapevolmente, che in realtà era stato il primo ad osservare la quantizzazione del momento magnetico associato con spin dell’elettrone, perché i loro atomi di argento sono stati effettivamente in stato di terra, con un totale di momento magnetico orbitale pari a zero, in modo che il momento di dipolo magnetico di un atomo è interamente dovuto alla rotazione dell’elettrone, un nuovo numero quantico che sarebbe stato introdotto nel 1925 da George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit.
L’esperimento Stern-Gerlach, un primo trionfo del metodo del fascio molecolare, che offre prove diverse da quelle spettroscopiche che gli oggetti quantistici mostrano comportamenti incompatibili con la fisica classica, aveva sbalordito e incuriosito Rabi come studente, quando era ancora scettico sulla teoria quantistica. Si convinse che il sistema di idee alla base dell’atomo di Bohr e i tentativi di estendere queste idee ad altri fenomeni atomici erano ben fondati e iniziò a studiare e discutere con i suoi amici tutti i documenti che sarebbero stati gradualmente incorporati nella struttura formale della nuova meccanica quantistica.
Mentre lavorava con Nishina e Pauli sul lavoro teorico, trascorse un po ‘ di tempo nel laboratorio di Stern e portò a termine con successo quello che divenne il suo primo esperimento a fascio molecolare. La configurazione del campo magnetico che ha progettato per deviare le particelle del fascio divenne nota come campo Rabi. Il lavoro di Rabi nel laboratorio di Stern è stato decisivo nel trasformare il suo interesse verso la ricerca di fasci molecolari.
Dopo Amburgo, Rabi andò a Lipsia per lavorare con Werner Heisenberg, ma nel frattempo Pauli lasciò Amburgo per una cattedra a Zurigo e nel marzo 1929 Rabi e Robert Oppenheimer, che aveva incontrato per la prima volta a Lipsia, lo seguirono a Zurigo. Ancora una volta è stata una splendida occasione per conoscere alcune delle migliori menti della fisica, ma il suo soggiorno a Zurigo si è concluso quando, alla fine di marzo, Rabi ha ricevuto un cavo dalla Columbia University, offrendogli una lectureship presso il dipartimento di fisica. Erano alla ricerca di un fisico teorico, che potrebbe insegnare la nuova meccanica quantistica e Heisenberg stesso, durante una visita alla Columbia, aveva fortemente raccomandato Rabi per una tale posizione. Accettò prontamente e il 1 agosto 1929 lasciò l’Europa con la sua giovane moglie. Il suo apprendistato scientifico era finito, aveva sviluppato una nuova consapevolezza e conoscenza della fisica alle fonti stesse della nuova meccanica quantistica.
Fasci molecolari per sondare il nucleo
Rabi ha dedicato il suo primo anno alla Columbia come docente esclusivamente allo strenuo sforzo di insegnare i corsi più avanzati del dipartimento. Iniziò così la sua influenza pervasiva sulla fisica americana. Durante i due anni successivi ha fatto ricerche teoriche in fisica dello stato solido, ma i suoi pensieri sono stati molto spesso diretti a fasci molecolari.
Nel 1931, Harold Urey, collega di Rabi alla Columbia, stava tentando di determinare lo spin nucleare del sodio mediante un’analisi del suo spettro, con risultati inconcludenti. A quel tempo, il suo coinvolgimento di lunga data nella ricerca isotopica lo stava ispirando a cercare il deuterio, l’isotopo idrogeno-2, la cui esistenza ha effettivamente annunciato nel Physical Review il giorno di Capodanno, 1932. Per questa scoperta Urey è stato poi assegnato il Premio Nobel per la chimica 1934. Solo sette settimane dopo, James Chadwick annunciò la “possibile esistenza di un neutrone”, una scoperta fondamentale che aprì ufficialmente l’era nucleare.
Tuttavia, nel 1931 il neutrone non era ancora lì e il nucleo atomico era ancora una terra incognita, un territorio inesplorato che presto sarebbe diventato il dominio dell’avventura scientifica di Rabi. Rabi ha visto che la tecnica del fascio molecolare potrebbe essere utilizzata per affrontare la sfida offerta dall’incertezza relativa allo spin nucleare del sodio. Potrebbe fornire l’accesso a domande fondamentali relative sia al mondo quantistico che al regno nucleare. Rabi voleva misurare il momento magnetico di un nucleo nel modo in cui Stern aveva misurato il momento magnetico di un atomo d’argento. Tuttavia, sono stati necessari molti perfezionamenti per trasformare l’esperimento di base di Stern-Gerlach in una tecnica che potrebbe essere utilizzata per misurazioni quantitative.
In linea di principio, le proprietà magnetiche nucleari potevano essere determinate attraverso l’analisi degli spettri atomici, ma a causa della dimensione minima dei momenti nucleari – tre ordini di grandezza più piccoli delle loro controparti elettroniche – le tecniche sperimentali erano tese al limite ed era abbastanza difficile ottenere questo tipo di informazioni tramite la spettroscopia. L’applicazione di un esperimento del tipo Stern-Gerlach alla misurazione delle proprietà magnetiche nucleari fornirebbe un controllo indipendente sui difficili metodi spettroscopici e allo stesso tempo fornirebbe l’accesso a dati nucleari altrimenti non disponibili.
Con Gregory Breit, suo collega della New York University, Rabi aveva organizzato un seminario congiunto per esplorare e discutere i fenomeni atomico-nucleari. Nel 1931, svilupparono una formula che mostrava la variazione del momento magnetico di un atomo per i diversi livelli di Zeeman della struttura iperfine sotto l’influenza di un campo magnetico esterno. Il metodo del fascio potrebbe quindi essere utilizzato per studiare le proprietà magnetiche nucleari degli atomi.
Con Victor Cohen, il suo primo studente laureato, Rabi ha iniziato il suo pionieristico lavoro sperimentale sulla misurazione precisa delle proprietà nucleari, che lo ha portato alla ribalta della fisica nucleare durante il decennio successivo. Variando i campi di deflessione lungo il percorso attraversato dagli atomi di sodio, il fascio è stato diviso in singoli beamlet in ciascuno dei quali gli atomi di sodio erano nello stesso stato quantico iperfine. Il numero totale di beamlet dipendeva dallo spin nucleare del sodio, quindi, tutto ciò che dovevano fare, era contare il numero di beamlet osservati al rivelatore. Da ciò potrebbero dedurre che lo spin nucleare del sodio è 3/2, ma per molti mesi non hanno comunicato le loro scoperte, e i primi risultati sperimentali sono stati pubblicati solo nel marzo 1933.
Nello stesso anno 1933, Stern e il suo gruppo avevano misurato il momento magnetico del protone, che era risultato essere circa 2,8 volte più grande di quello che la teoria di Paul Dirac del 1928 sembrava prevedere. Questo risultato inaspettato è stato infatti una scoperta importante. La scoperta dello spin dell’elettrone era stata di prima importanza per ottenere una comprensione della struttura atomica. Allo stesso modo, ci si aspettava che una conoscenza del momento magnetico del protone avrebbe svolto un ruolo simile nel campo della struttura nucleare.
Il carattere fondamentale delle misurazioni di Stern e dei suoi collaboratori spinse Rabi a impostare il proprio esperimento per misurare il momento magnetico del protone – così come del deuterone -. Con due borsisti post-dottorato, JMB Kellog e Jerrold R. Zacharias, Rabi iniziò rapidamente a creare un esperimento alla Columbia University per misurare il momento magnetico del protone, applicando la teoria di Breit-Rabi.
I risultati pubblicati nel 1934 indicavano un valore ancora maggiore del sorprendente risultato di Stern. Ulteriori tentativi eseguiti nel 1936 utilizzarono un nuovo metodo con due magneti deflettori che ogni particella del fascio passava in sequenza. Dopo essere stati deviati nel primo campo magnetico disomogeneo, sia gli atomi veloci che quelli lenti sarebbero stati rifocalizzati nel rivelatore dal secondo campo disomogeneo, evitando complicazioni associate alle velocità distribuite delle particelle del fascio. Tra i due magneti deflettori c’era un nuovo campo statico a forma di T. I fasci che passavano attraverso il campo statico vedevano l’equivalente di un campo magnetico rotante o oscillante, che esercitava una forza di ribaltamento sul momento magnetico facendolo capovolgere da un orientamento all’altro quando il campo apparente aveva una velocità angolare approssimativamente uguale alla frequenza di precessione di Larmor del momento magnetico attorno al campo magnetico. Lo studio di queste transizioni stimolate tra stati magnetici dell’atomo di idrogeno ha permesso, per la prima volta, di determinare che i momenti magnetici del protone e del deuterone sono positivi. L’effetto di questa nuova disposizione fu che migliorò notevolmente i risultati sperimentali, riducendo l’incertezza nel valore misurato del momento magnetico del protone dal 10% al 5% e dal 4% invece del 26% per il deuterone. Ma non solo questi risultati hanno fornito valori migliori e i segni del momento, ma anche il momento magnetico del neutrone.
Il metodo della risonanza magnetica
Durante la maggior parte degli anni trenta Rabi e i suoi collaboratori, che a quel tempo includevano anche Polykarp Kusch, Sydney Millmann e Norman Ramsey, continuarono a studiare i primi due isotopi dell’atomo di idrogeno. Nella pianificazione di un terzo esperimento, è stato progettato un apparecchio molto simile a quello utilizzato nell’esperimento precedente, ma in una forma un po ‘ modificata. I due forti campi deflettori disomogenei sono stati nuovamente impostati per deviare le particelle del fascio in direzioni opposte, e l’intensità del campo del secondo magnete è stata impostata per annullare esattamente ciò che ha fatto il primo magnete, cioè per riorientare le particelle del fascio nel rivelatore. Se questi due campi da soli agissero sul raggio, il numero di atomi rilevati sarebbe lo stesso di se non ci fossero campi presenti, perché il secondo campo compenserebbe esattamente l’azione del primo campo.
La vera novità di questo esperimento era che il terzo campo T statico semplice era integrato da una componente di campo debole sovrapposta ad angolo retto al campo omogeneo costante forte e oscillante ad una frequenza radio regolabile. Questa componente oscillatoria potrebbe cambiare l’orientamento degli atomi precessivi inducendo transizioni (ribaltamento) dei momenti magnetici poco prima che entrassero nel secondo campo disomogeneo costante.
In piena analogia con l’assorbimento di risonanza della luce visibile, le transizioni a diversi stati quantici potrebbero verificarsi da un livello iperfine di Zeeman a un altro se il campo alternato soddisfaceva la condizione di frequenza di Bohr per la differenza di energia tra i due livelli. Tuttavia, al posto delle frequenze ottiche si trattava normalmente di frequenze nell’intervallo radio, perché le differenze tra i livelli di energia sono molto piccole. Ogni molecola ha visto molti cicli della stessa frequenza e la probabilità di una transizione è stata quindi aumentata. Quando la frequenza di precessione di Larmor nel campo statico corrisponde alla frequenza del campo oscillante, molti atomi si spostano su un altro orientamento e mancano il rivelatore. In questo caso il rivelatore registra un minimo di risonanza marcato, la posizione di frequenza di questo minimo viene determinata con la straordinaria precisione ottenibile con il misuratore di radiofrequenza. Quando la frequenza di Larmor non è più in risonanza con la frequenza del campo oscillante, gli atomi sono tutti rifocalizzati nel rivelatore e il segnale è ancora una volta grande.
Questo era il nucleo del metodo della risonanza magnetica, il miglioramento più significativo delle tecniche molecolari e atomiche del fascio, che offriva chiaramente una precisione senza precedenti nello stabilire relazioni radio con il mondo dell’elettrone e del nucleo atomico. La sua applicazione più diretta era la misurazione dei momenti magnetici nucleari. La base di ciò è la condizione di risonanza f=(µH)/Ih, in cui f è la frequenza di precessione dell’asse dello spin nucleare in un campo magnetico di forza H, e μ è il momento magnetico del nucleo. Il numero I è il numero quantico di spin nucleare, un intero o mezzo intero, e h è la costante di Planck. La frequenza della precessione, una volta rilevata, è facilmente misurata con elevata precisione, e quindi si può determinare la quantità μ/Ih, e il momento magnetico può essere trovato se lo spin è noto. Pertanto, se la frequenza del campo oscillante varia lentamente, si verifica una forte diminuzione (il fenomeno della risonanza) nel numero di atomi che arrivano al rivelatore quando la frequenza del campo è uguale alla frequenza di Larmor. Ciascuna di queste risonanze dà quindi un valore del rapporto μ / Ih e, quindi, del momento magnetico.
La prima curva di risonanza magnetica nucleare fu inviata a Physical Review il 15 gennaio 1938. Le misurazioni sull’idrogeno con il metodo della risonanza continuarono nella tarda primavera del 1938. Come previsto, sono state osservate due forti risonanze con la molecola HD, una delle quali era associata al protone, l’altra al deuterone. Entrambi questi assorbimenti di risonanza hanno permesso di determinare i momenti magnetici sia del protone che del deuterone con maggiore precisione. Tuttavia, entrambe le molecole H2 e D2 presentavano un modello di assorbimenti diversi, invece della singola risonanza stretta e forte che il gruppo si aspettava. Un nuovo apparato ha rivelato i dettagli del modello di risonanza multipla, ma la teoria non ha tenuto conto dei dati ottenuti, e Rabi presto si rese conto che ciò potrebbe essere dovuto all’esistenza di un’altra proprietà insospettata del deuterone: un piccolo ma finito momento elettrico quadrupolo, che è una misura di partenza di ordine più basso da una distribuzione di carica sferica. Questa scoperta di vasta portata, annunciata nel 1940, fu una sorpresa. Obbligò immediatamente i teorici a rinunciare alle forze centrali assunte per legare il neutrone e il protone insieme e ad ammettere che le forze nucleari sono molto più complesse di quanto i primi modelli nucleari dei primi anni 1930 avessero assunto.
Dopo il gap annuale successione di Premi Nobel, a causa della Seconda Guerra Mondiale, non era fino all’autunno del 1944 che l’Accademia Reale svedese delle Scienze ha annunciato che per il 1943, il premio sarà assegnato a Otto Stern, “per il suo contributo allo sviluppo, a livello molecolare, ray metodo e la sua scoperta del momento magnetico del protone”, e che per il 1944 e il Isidor Rabi, “per il suo metodo di risonanza per la registrazione delle proprietà magnetiche dei nuclei atomici”.
Dopo la seconda guerra mondiale, la risonanza magnetica nucleare (NMR) divenne un cavallo di battaglia per l’analisi fisica e chimica. Ancora più tardi, la scoperta di Rabi è stata estesa alla risonanza magnetica (MRI), un potente strumento diagnostico medico, che ora viene utilizzato nei centri medici di tutto il mondo. Nei decenni successivi, il metodo del fascio molecolare è stato ampiamente adottato dalle comunità di fisica e chimica fisica in tutto il mondo, e circa 20 premi Nobel sono stati assegnati per il lavoro basato sul metodo del fascio molecolare; tra loro c’erano Kusch e Ramsey, due degli ex collaboratori di Rabi.
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