By Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
ノーベル物理学賞1944
“原子核の磁気特性を記録するための共鳴法”。
Isidor Rabiの伝記作家の一人であるNorman Ramseyが強調したように、”科学者の中には、自分の個人的な研究を通じて最大の貢献をしている人もいれば、一般的な知恵と他の人への影響について最もよく記憶されている人もいます。 Rabiを含むいくつかは、両方の点で優れています。”ラビの重要な発見について話すことは、実際には還元的であろう,彼の影響がはるかに彼自身の研究室を超えて拡張し、どのように言及することなく、1944年に彼のノーベル賞につながった,科学の政治家としての彼の先見の明のリーダーシップの下で、どのように,科学における国内および国際協力における多くの成功したベンチャーが実現されました. 特に、彼はブルックヘブン国立研究所の創設者の一人であり、CERN研究所の主なプロモーターでした。 彼は原子力の平和利用のためのスポークスマンになったとき、彼の偉大な評判と彼の接触は、主要な物理学者だけでなく、国連の政府指導者と、貴重なツール
量子論の達人になる
Isidor Isaac Rabiは、1898年、X線、放射能、電子が発見された19世紀の終わりに、オーストリア-ハンガリーのRymanowで生まれました。 翌年、両親はニューヨーク市に移り、公立学校に通ったが、公共図書館から借りた本を通じて教育と科学への関心の多くを得た。 1916年、高校を卒業した後、ラビは奨学金を得てコーネル大学に入学し、電気工学を始めたが、化学の分野で卒業した。 大学から3年後、彼は最初にコーネルに戻り、化学の大学院の仕事をし、1年後にコロンビア大学に移り、物理学に転向しました。
ラビが物理学の研究を始めていた1923年、彼は彼の本当の関心が量子論であることを発見した。 しかし、コロンビアの物理学の教授は、ヨーロッパから来たそのような新型に本当に精通していなかったし、彼は結晶塩のシリーズの磁化率を測定するこ その間、彼は量子力学に取り組むために仲間の学生の研究グループを組織しました。 1927年7月、ラビはPhysical Review誌に博士論文を提出し、翌日ヘレン・ニューマークと結婚した。 すぐ後に、他の多くの米国の若い物理学者のように、彼は新しい量子力学の先駆者のより近いビューを持っているために、ヨーロッパに旅行フェローシップに
量子力学の中心を巡るヨーロッパツアー
最初の数ヶ月間、RabiはチューリッヒのErwin Schrödinger、ミュンヘンのArnold Sommerfeld、コペンハーゲンのNiels Bohrを訪問した。 後者はラビがハンブルクに滞在するように手配し、ヴォルフガング-パウリは当時、分光学を含まない実験原子物理学の創始者の一人であるオットー-スターンの協力者であった。 10月下旬、ラビは日本からヨーロッパを訪れていた仁科義雄と共にそこに到着した。 ラビは1922年のStern-Gerlach実験をよく知っていましたが、これは現代の量子物理学への道のマイルストーンの一つであることが判明しました。 この実験のセットアップでは、スターンはゾンマーフェルトの原子のボーア理論の拡張（ピーター–デバイによって独立して提唱された拡張）によって導かれ、軌道の大きさと形状の通常の量子数に加えて、核の周りの”ケプラー”電子軌道の空間的配向の定量化が提案された。 単一の電子の軌道運動のために、原子は外部の電場および磁場との相互作用を決定する磁気モーメントを有することができる。 空間的定量化は、外部から印加された磁場の方向に対する各原子磁石の選択された離散的な向きのみを可能にした。 Stern-Gerlach実験では、加熱された炉の小さな穴から流れ、熱速度で動く同じ磁気モーメントを持つ銀原子のコリメートされたビームが、強い不均一な磁場を通過した。 炉と探知器間の道で、磁界は磁界の方向のまわりでこうして歳差運動する磁気双極子のトルクを出します。 不均一な磁場はまた、磁気モーメントに横方向の力を及ぼし、その大きさと方向は、外部から印加される磁場の方向に対する原子の磁気モーメントの配向に依存する。 磁場方向に平行な磁気モーメントの成分は影響を受けません。
古典的な絵には、原子磁石が磁場の周りで歳差運動することができる角度に制限は含まれていません。 予想は、オーブン内の熱効果のために、原子の磁気双極子モーメントが場の方向に対して空間内でランダムに配向することである。 初期ビーム中の原子の運動方向は、初期ビームの運動方向に垂直なランダムな量だけ変位する。 偏向の連続的なグラデーションは、このように発生する必要があり、送信されたビームは、単にファンのように広がるだろう。
実際には、スターンとゲルラッハは、冷たいガラス検出器板上で、親ビームが二つの異なる部分に分割されていることを発見した-中央領域には銀原子の痕跡がなく、無偏向原子が予想されていた-銀原子の場合、磁場の方向に対して二つの異なる向きしか許されていないことを示唆している。 スターンとゲルラッハは、この結果を古典理論の決定的な反論とみなし、磁気モーメントの方向の連続的な値に基づいていた古典的なラーモア理論を反証した。 しかし同時に、彼らは誤ってこの現象を銀原子の磁気モーメントが電子の軌道角運動量に起因する古い量子理論の確認と考えた。
銀原子は実際には基底状態にあり、全軌道磁気モーメントはゼロであり、原子の磁気双極子モーメントは完全に電子のスピンによるものであり、1925年にGeorge UhlenbeckとSamuel Goudsmitによって導入された新しい量子数である。
量子物体が古典物理学と相容れない挙動を示すという分光学的証拠以外の証拠を提供する分子ビーム法の初期の勝利であるスターン-ゲルラッハ実験は、ラビが量子理論にまだ懐疑的であったとき、学生として唖然とし、興味をそそられた。 彼は、ボーア原子の根底にあるアイデアのシステムと、これらのアイデアを他の原子現象に拡張しようとする試みが十分に確立され、新しい量子力学の正式な構造に徐々に組み込まれるすべての論文を研究し、友人と議論し始めたと確信した。
仁科やパウリと理論研究をしながら、スターンの研究室で時間を過ごし、彼の最初の分子ビーム実験となったものを成功裏に行った。 彼がビーム粒子を偏向させるために設計した磁場の配置は、ラビ場として知られるようになった。 スターンの研究室でのラビの仕事は、分子ビーム研究に向かって彼の関心を回す上で決定的だった。
ハンブルクの後、ラビはヴェルナー-ハイゼンベルクと仕事をするためにライプツィヒに行ったが、その間にパウリはチューリッヒで椅子のためにハンブルクを離れ、1929年にライプツィヒで初めて会ったラビとロバート-オッペンハイマーはチューリッヒについた。 再びそれは物理学の最高の心のいくつかと知り合いになるの素晴らしい機会だったが、月の終わりに、ラビは彼に物理学部門での講義を提供し、コロンビア大学からケーブルを受け取ったときにチューリッヒでの彼の滞在は終了しました。 彼らは新しい量子力学を教えることができる理論物理学者を探していたし、ハイゼンベルク自身は、コロンビアでの訪問中に、強くそのような位置のためにラビをお勧めしていた。 彼はすぐに受け入れ、1年後の1929年、彼は若い妻と一緒にヨーロッパを去った。 彼の科学的な見習いは、彼が新しい量子力学の非常にソースで物理学の新しい意識と知識を開発していた、終了しました。
核を探査する分子ビーム
ラビはコロンビア大学での最初の年を講師として、部門の最も先進的なコースを教えるための激しい努力に専念しました。 このようにして、アメリカの物理学に彼の普及した影響を開始しました。 その後の二年間、彼は固体物理学の理論的研究をしましたが、彼の考えは非常に頻繁に分子ビームに向けられました。
1931年、RabiのColumbiaの同僚ハロルド・ウレイは、ナトリウムのスペクトルの分析によってナトリウムの核スピンを決定しようとしていたが、決定的な結果は得られなかった。 当時、彼の長年の同位体研究への関与は、彼が実際に1932年の元日の物理レビューで発表した重水素、水素2同位体を探索するために彼を鼓舞していました。 この発見のために、ウレイは1934年にノーベル化学賞を受賞した。 わずか7週間後、ジェイムズ・チャドウィックは「中性子の存在の可能性」を発表し、核時代を正式に開いた基本的な発見でした。
しかし、1931年には中性子はまだ存在せず、原子核はまだテラ-インコグニータであり、すぐにラビの科学的冒険の領域となる未踏の領域であった。 Rabiは、分子ビーム技術は、ナトリウムの核スピンに関連する不確実性によって提供される課題に取り組むために使用することができることを見ました。 それは、量子世界と核領域の両方に関連する基本的な質問へのアクセスを提供することができます。 ラビは、スターンが銀原子の磁気モーメントを測定した方法で核の磁気モーメントを測定したいと考えていました。 しかし、多くの改良は、定量的測定のために使用することができる技術に基本的なスターン-ゲルラッハ実験を変換するために必要とされました。
原理的には、原子スペクトルの解析によって核磁気特性を決定することができたが、核モーメントの微細なサイズ（電子モーメントよりも三桁小さい）のために実験技術は限界まで緊張しており、分光法でこの種の情報を得ることは非常に困難であった。 スターン-ゲルラッハ型の実験を核磁気特性の測定に適用することは、困難な分光法に関する独立したチェックを提供すると同時に、他の方法では利用できなかった核データへのアクセスを提供するであろう。
ニューヨーク大学の同僚グレゴリー・ブライトと共に、ラビは原子・核現象を探求し議論するための共同セミナーを設立した。 1931年、彼らは外部磁場の影響下で超微細構造の異なるゼーマン準位に対する原子の磁気モーメントの変化を示す公式を開発した。 したがって、ビーム法は原子の核磁気特性を調べるために使用することができる。
彼の最初の大学院生であるVictor Cohenとともに、Rabiは核特性の正確な測定に関する先駆的な実験作業を開始し、その後の10年間に彼を核物理学の最前線に ナトリウム原子が通過する経路に沿って偏向場を変化させることにより，ビームはそれぞれのナトリウム原子が同じ超微細量子状態にある個々のビームレットに分割された。 ビームレットの総数はナトリウムの核スピンに依存していたため、検出器で観測されたビームレットの数を数えるだけでした。 このことから、彼らはナトリウムの核スピンが3/2であると推測することができたが、何ヶ月もの間、彼らは彼らの発見を伝えず、最初の実験結果は1933年3月にのみ発表された。
同じ1933年に、スターンと彼のグループは陽子の磁気モーメントを測定しており、これはPaul Diracの1928年の理論が予測していたものよりも約2.8倍大きいことが判明した。 この予想外の結果は、実際には大きな発見でした。 電子のスピンの発見は、原子構造の理解を得る上で最初に重要でした。 同様に、陽子の磁気モーメントの知識は、核構造の分野において同様の役割を果たすことが期待された。
スターンと彼の共同研究者の測定の基本的な特徴は、ラビが陽子と重陽子の磁気モーメントを測定するための彼自身の実験を設定するよう促した。 J.M.B.KellogとJerrold R.Zachariasの2人のポスドクフェローとともに、Rabiはすぐにコロンビア大学でブライト・ラビ理論を適用して陽子の磁気モーメントを測定する実験を開始した。
1934年に発表された結果は、スターンの驚くべき結果よりもさらに大きな値を示した。 1936年に行われたさらなる試みは、各ビーム粒子が順番に通過する二つの偏向磁石を用いた新しい方法を利用した。 第一の不均一磁場で偏向された後、速い原子と遅い原子の両方が第二の不均一磁場によって検出器に再焦点され、ビーム粒子の分布速度に関連する合併症を回避する。 2つの偏向磁石の間には、新しい静的なT字型の磁場がありました。 静的磁場のトラフを通過するビームは、見かけの磁場が磁場の周りの磁気モーメントのラーモア歳差運動周波数にほぼ等しい角速度を持っているとき、磁気モーメントにチッピング力を加え、ある方向から別の方向に反転させる回転または振動する磁場に相当するものを見た。 水素原子の磁気状態間のこれらの刺激遷移の研究は、プロトンと重陽子の磁気モーメントが正であることを初めて決定することを可能にした。 この新しい配置の効果は、実験結果を大幅に改善し、陽子の磁気モーメントの測定値の不確実性を10パーセントから5パーセント、重陽子の26パーセントではなく4パーセントに減少させたことであった。 しかし、これらの結果は、より良い値とモーメントの兆候を提供するだけでなく、中性子の磁気モーメントも提供しました。
磁気共鳴法
1930年代の大部分を通じて、ラビと彼の共同研究者は、この時点でポリカープ-クッシュ、シドニー-ミルマン、ノーマン-ラムジーも含めて、水素原子の最初の二つの同位体の調査を続けた。 第三の実験を計画する際には、前の実験で使用されたものと非常によく似た装置が設計されたが、幾分修正された形態であった。 二つの強い不均一偏向磁場は再び反対方向にビーム粒子を偏向させるように設定され、第二の磁石の磁場強度は、第一の磁石がしたことを正確に元に戻 これらの2つの磁場だけがビームに作用していた場合、検出された原子の数は、第2の磁場が第1の磁場の作用を正確に補償するため、存在する場がない場合と同じになります。
この実験の真の目新しさは、第三の単純な静的T場が、強い一定の均質場に直角に重畳され、調整可能な無線周波数で振動する弱い場成分によって補 この振動成分は，第二の一定不均一場に入る直前に磁気モーメントの遷移（反転）を誘導する歳差運動原子の向きを変化させることができる。
可視光の共鳴吸収と完全に類似して、交互場が二つのレベルの間のエネルギー差に対するボーアの周波数条件を満たす場合、異なる量子状態への遷移があるゼーマン超微細準位から別の量子状態への遷移が起こる可能性がある。 しかし、光周波数の代わりに、エネルギー準位の差が非常に小さいため、無線範囲の周波数を通常扱うものがあります。 すべての分子は、同じ周波数の多くのサイクルを見て、遷移の確率は、このように強化されました。 静的場のＬａｒｍｏｒ歳差運動周波数が振動場の周波数と一致すると，多くの原子が別の向きに反転して検出器を逃す。 この場合探知器はマークされた共鳴最低、無線周波数のゲージと達成可能な異常な精密と定められるこの最低の頻度位置を記録する。 ラーモア周波数が振動場の周波数と共鳴しなくなると、原子はすべて検出器に再焦点化され、信号は再び大きくなります。
これは磁気共鳴法の中核であり、分子ビームおよび原子ビーム技術の最も顕著な改善であり、電子および原子核の世界との無線関係を確立する上で前例のない精度を明らかに提供した。 その最も直接的な応用は核磁気モーメントの測定であった。 このための基礎は、共鳴条件f=(μ h)/Ihであり、ここでfは強さHの磁場における核スピン軸の歳差運動の周波数であり、γは核の磁気モーメントである。 数Iは核スピン量子数であり、整数または半整数であり、hはプランク定数である。 歳差運動の周波数は、一度検出されると、高精度で容易に測定されるため、量π/Ihを決定することができ、スピンが分かっていれば磁気モーメントを見つけることができる。 したがって、振動場の周波数をゆっくりと変化させると、場の周波数がラーモア周波数に等しいときに検出器に到着する原子の数が急激に減少（共鳴現象） このような各共鳴は、比λ/Ihの値を与え、したがって磁気モーメントの値を与える。
最初の核磁気共鳴曲線は1938年1月15日にフィジカルレビューに送られた。 共鳴法による水素の測定は1938年の晩春に続いた。 予測されたように、二つの強い共鳴が分子HDで観察され、そのうちの一つは陽子と関連し、もう一つは重陽子と関連していた。 これらの共鳴吸収により，プロトンと重陽子の磁気モーメントを精度良く決定することができた。 しかし、分子H2とD2の両方が、グループが期待していた単一の強い狭い共鳴の代わりに、異なる吸収のパターンを提示していた。 新しい装置は多重共鳴パターンの詳細を明らかにしたが、理論は得られたデータを説明しておらず、ラビはすぐにこれが重陽子の別の疑いのない性質、すなわち球状の電荷分布からの最低次の出発の尺度である小さいが有限の電気四重極モーメントの存在によるものであることに気づいた。 1940年に発表されたこの遠大な発見は、非常に驚きでした。 それはすぐに理論家に、中性子と陽子を一緒に結合すると仮定された中心的な力を放棄し、核力が1930年代初頭の最初の核モデルが想定していたよりもはるかに複雑であることを認めることを義務づけた。
第二次世界大戦によるノーベル賞の毎年の連続のギャップの後、スウェーデン王立科学アカデミーは、1943年にオットー-スターンに”分子線法の開発と陽子の磁気モーメントの発見への貢献”、1944年にIsidor Rabiに”原子核の磁気特性を記録するための共鳴法”を授与することを発表したのは1944年秋までであった。
第二次世界大戦後、核磁気共鳴（NMR）は物理的および化学的分析の主力となった。 それでも後に、Rabiの発見は、磁気共鳴画像法（MRI）、現在世界中の医療センターで使用されている強力な医療診断ツールに拡張されました。 その後の数十年間で、分子ビーム法は世界中の物理学および物理化学のコミュニティによって広く採用されており、分子ビーム法に基づく研究に対して約20のノーベル賞が授与された。
参考文献
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