루이사 보놀리스
이시도르 이삭 라비
노벨 물리학상 1944
“원자핵의 자기적 특성을 기록하기 위한 그의 공명 방법”.
이시도르 라비의 전기 작가 중 한 명인 노먼 램지는”일부 과학자들은 자신의 개인적인 연구를 통해 가장 큰 공헌을하는 반면,다른 과학자들은 일반적인 지혜와 다른 사람들에 대한 영향으로 가장 잘 기억됩니다. 라비를 포함한 몇 가지는 두면에서 탁월합니다.”1944 년 그의 노벨상을 수상한 라비의 중요한 발견에 대해 이야기하는 것은 실제로 환원적일 것이며,그의 영향력이 어떻게 자신의 실험실을 훨씬 넘어서 확장되었는지,그리고 과학 정치가로서의 그의 비전있는 리더십 아래 과학 분야에서 국내 및 국제 협력에 대한 많은 성공적인 벤처 기업이 실현되었는지에 대해서는 언급하지 않았다. 특히,그는 브룩헤이븐 국립 연구소의 설립자 중 한 명이자 케른 연구소의 주요 발기인이었다. 그의 위대한 명성과 그의 연락처,최고의 물리학뿐만 아니라 유엔의 정부 지도자들과 함께,그가 핵 에너지의 평화적 사용을위한 대변인이되었을 때 귀중한 도구로 바뀌.
양자 이론에 능숙 해짐
이시도르 아이작 라비는 1898 년 오스트리아-헝가리 리마 노프에서 태어 났으며,19 세기 말 엑스레이,방사능 및 전자가 발견되었습니다. 그의 부모는 뉴욕시로 어디 공립학교에 참석하지만,공공 도서관에서 빌린 책을 통해 과학에 대한 그의 교육과 관심을 많이 얻고 이듬해. 에서 1916,고등학교를 졸업 한 후,라비는 장학금과 코넬 대학에 입학,전기 공학에서 시작,하지만 화학 분야에서 졸업. 대학에서 멀리 3 년 후,그는 코넬 먼저 반환,화학에서 대학원 작업을 할,컬럼비아 대학 년 후 이동 및 물리학에 의존하고 있습니다.
1923 년 라비가 물리학 연구를 시작했을 때,그는 그의 진정한 관심이 양자 이론이라는 것을 발견했다. 그러나,콜롬비아에서 아니 물리학 교수는 유럽에서 오는 그런 참신와 정말 정통했다 그리고 그는 결정질 염의 일련의 자기 감수성을 측정 관련 논문 주제를 선택했다. 그 동안 그는 양자 역학과 씨름하는 동료 학생들의 연구 그룹을 조직했다. 1927 년 7 월,라비는 박사 학위 논문을 물리 검토 저널에 제출했으며 다음날 그는 헬렌 뉴 마크와 결혼했습니다. 얼마 후,다른 많은 미국 젊은 물리학 자처럼,그는 유럽으로 여행 친목,새로운 양자 역학의 개척자의 면밀한 관찰을하기 위해 갔다.
양자역학의 중심부를 통과하는 유럽 투어
첫 달 동안 라비는 취리히의 어윈 슈르,뮌헨의 아놀드 소머펠드,코펜하겐의 닐스 보어를 방문했다. 라비 함부르크에 머물 후자의 배치,볼프강 파울리,누가 시간에 오토 스턴의 협력자였다,실험 원자 물리학의 건국의 아버지 중 하나는 분광학을 포함하지. 10 월 말,라비는 일본에서 유럽을 방문한 니시나 요시오와 함께 거기에 도착했습니다. 라비는 1922 년의 스턴-겔라흐 실험을 잘 알고 있었는데,이 실험은 현대 양자 물리학의 경로에서 중요한 이정표 중 하나였다. 이 실험에서 스턴은 소머펠트의 원자 보어 이론의 확장–피터 데바이가 독자적으로 제시 한 확장–에 의해 안내되었으며,궤도의 크기와 모양에 대한 일반적인 양자 수 외에도 핵 주위의”케플러리안”전자 궤도의 공간적 방향의 정량화가 제안되었으며,공간 정량화라고 불린다. 단일 전자의 궤도 운동 때문에 원자는 외부 전기 및 자기장과의 상호 작용을 결정하는 자기 모멘트를 가질 수 있습니다. 공간 정량화는 외부에서 적용된 자기장의 방향을 기준으로 각 원자 자석의 선택된 이산 방향 만 허용했습니다. 스턴-겔라흐 실험에서 가열된 용광로의 작은 구멍에서 흘러나오고 열속도로 움직이는 은 원자의 시준된 빔이 강한 비균일 자기장을 통과했다. 로와 발견자 사이 그것의 경로에,자기장은 자기장의 방향에 관하여 따라서 선행할 자석 쌍극자에 토크를 발휘할 것입니다. 비 균일 필드는 또한 자기 모멘트에 횡 방향 힘을 발휘하며,그 크기와 방향은 원자의 자기 모멘트의 방향에 따라 외부적으로 적용되는 자기장의 방향에 따라 달라집니다. 필드 방향과 평행한 자기 모멘트의 구성 요소는 영향을 받지 않습니다.
고전적인 그림은 원자 자석이 자기장에 대해 선행 할 수있는 각도에 대한 제한을 포함하지 않는다. 기대는 오븐에서의 열 효과로 인해 원자의 자기 쌍극자 모멘트가 필드의 방향과 관련하여 공간에서 무작위로 배향 될 것이라는 것입니다. 초기 빔의 원자의 운동 방향은 초기 빔의 운동 방향에 수직 인 임의의 양에 의해 변위 될 것입니다. 따라서 편향의 연속 그라데이션이 발생해야하며 전송 된 빔은 팬처럼 퍼질뿐입니다.
실제로,스턴과 겔라흐는 차가운 유리 검출기 판에서 부모 빔이 두 개의 별개의 부분으로 나뉘어졌는데,중앙부에는 은 원자의 흔적도 없이,그 중 하나는 미결정 원자를 예상했을 것이다-은 원자의 경우,자기장의 방향과 관련하여 오직 두 개의 뚜렷한 방향만이 허용된다는 것을 암시한다. 스턴과 게를라흐 따라서 그들의 결과는 자기 모멘트의 방향에 대한 지속적인 값을 기반으로 한 고전적 라르 모어 이론을 반증하는 고전 이론의 결정적인 논박이라고 생각했다. 그러나 동시에,그들은 실수로이 현상을 오래된 양자 이론의 확인이라고 생각했다.이 이론은은 원자의 자기 모멘트는 전자의 궤도 각운동량 때문이었다.
모르는 사이에,그들은 실제로 전자 스핀과 관련된 자기 모멘트의 정량화를 관찰 한 최초의 사람이었습니다.그들의 은 원자는 실제로 지상 상태에 있었고,총 궤도 자기 모멘트는 0 과 같았 기 때문에 원자의 자기 쌍극자 모멘트는 전적으로 전자의 스핀 때문이었습니다.이 양자 수는 1925 년 조지 울렌 벡과 사무엘 구즈 미트에 의해 도입 될 새로운 양자 수입니다.
분자 빔 방법의 초기 승리였던 스턴-겔라흐 실험은 양자 물체가 고전 물리학과 양립할 수 없는 행동을 보인다는 분광적 증거 이외의 다른 증거를 제시하면서,라비가 여전히 양자 이론에 대해 회의적이었을 때 학생으로서 기절하고 흥미를 느꼈다. 그는 아이디어를 기본 보어 원자의 시스템과 시도가 다른 원자 현상이 아이디어를 확장 잘 설립했다 공부하고 그의 친구들과 점차 새로운 양자 역학의 공식적인 구조에 통합 될 모든 논문에 대해 논의하기 시작했다 확신되었다.
니시나와 파울리와 함께 이론적 작업을 하면서 스턴의 실험실에서 시간을 보내면서 그의 첫 분자빔 실험이 된 것을 성공적으로 수행하였다. 그가 빔 입자를 편향 시키도록 설계된 자기장 구성은 라비 필드로 알려지게되었습니다. 스턴의 실험실에서 라비의 작품은 분자 빔 연구를 향해 자신의 관심을 돌려 결정적이었다.
함부르크 이후,라비는 베르너 하이젠베르크와 함께 일하기 위해 라이프치히로 갔지만,파울리는 함부르크를 떠나 취리히에서 의자로 일했고,1929 년 3 월 라이프치히에서 처음 만난 라비와 로버트 오펜하이머는 그를 따라 취리히로 갔다. 다시 한번 그것은 물리학에서 최고의 마음의 일부와 친분이되는 멋진 기회 였지만,취리히에서 자신의 체류를 할 때,3 월 말에,라비 컬럼비아 대학에서 케이블,그에게 물리학과에서 강사를 제공받은 끝났다. 그들은 새로운 양자 역학과 하이젠 베르크 자신을 가르 칠 수있는 이론 물리학자를 찾고 있었다,컬럼비아에서 방문하는 동안,강력하게 이러한 위치에 대한 라비 추천했다. 그는 즉시 받아 들였고 1929 년 8 월 1 일 그는 젊은 아내와 함께 유럽을 떠났습니다. 그의 과학 견습 종료 했다,그는 새로운 양자 역학의 매우 소스에서 물리학의 새로운 인식과 지식을 개발 했다.
핵 탐사를위한 분자 빔
라비는 컬럼비아에서 첫 해를 강사로서 독점적으로 학과에서 가장 진보 된 과정을 가르치는 격렬한 노력에 바쳤다. 따라서 미국 물리학에 대한 그의 광범위한 영향이 시작되었습니다. 그는 고체 물리학의 이론적 연구를했던 다음 2 년 동안,그러나 그의 생각은 매우 자주 분자 빔에 지시했다.
1931 년,라비의 콜롬비아의 동료 해롤드 유레이는 그 스펙트럼을 분석하여 나트륨의 핵 스핀을 결정하려고 시도했는데,그 결과는 결정적이지 않았다. 당시,동위 원소 연구에 그의 오랜 참여는 중수소에 대한 검색 그를 고무되었다,수소 -2 동위 원소,그의 존재는 그가 실제로 설날에 물리적 검토에 발표,1932. 이 발견을 위해 유레이는 1934 년 노벨 화학상을 수상했습니다. 불과 7 주 후,제임스 채드윅은 공식적으로 핵 시대를 열어 놓은 근본적인 발견 인”중성자의 존재 가능성”을 발표했습니다.
그러나 1931 년에 중성자는 아직 존재하지 않았고 원자핵은 여전히 테라 인코 그니 타였으며,곧 미지의 영토가 라비의 과학적 모험의 영역이되었습니다. 라비 분자 빔 기술은 나트륨의 핵 스핀과 관련된 불확실성에 의해 제공되는 도전을 해결하기 위해 사용될 수 있음을 보았다. 그것은 양자 세계와 핵 영역 모두에 관련된 근본적인 질문에 대한 액세스를 제공 할 수 있습니다. 라비는 스턴이 은 원자의 자기 모멘트를 측정하는 방식으로 핵의 자기 모멘트를 측정하고 싶었습니다. 그러나 기본 스턴-겔라흐 실험을 정량적 측정에 사용할 수 있는 기술로 변환하려면 많은 개선 작업이 필요했습니다.
원칙적으로 원자 스펙트럼의 분석을 통해 핵 자성을 결정할 수 있었지만,핵 모멘트의 미세한 크기(전자 모멘트보다 3 배 작은 크기)로 인해 실험 기술은 한계까지 긴장되어 분광학을 통해 이러한 종류의 정보를 얻는 것이 매우 어려웠습니다. 스턴-겔라흐 유형의 실험을 핵 자기적 특성의 측정에 적용하는 것은 어려운 분광적 방법에 대한 독립적인 점검을 제공하고,동시에 그렇지 않으면 이용할 수 없었던 핵 데이터에 대한 접근을 제공할 것이다.
뉴욕대학의 동료 그레고리 브라이트와 함께 라비는 원자핵 현상을 탐구하고 논의하기 위한 공동 세미나를 열었다. 1931 년에 그들은 외부 자기장의 영향을 받아 초 미세 구조의 다른 제만 수준에 대한 원자의 자기 모멘트의 변화를 보여주는 공식을 개발했습니다. 따라서 빔 방법을 사용하여 원자의 핵 자기 특성을 조사 할 수 있습니다.
첫 대학원생 빅터 코헨과 함께 라비는 핵물질의 정확한 측정에 대한 선구적인 실험 작업을 시작했으며,이후 10 년 동안 핵물리학의 최전선에 서게 되었다. 나트륨 원자가 통과하는 경로를 따라 편향 필드를 변화시킴으로써,빔은 나트륨 원자가 동일한 초 미세 양자 상태에 있던 각각의 개별 빔렛으로 분할되었다. 빔릿의 총 수는 나트륨의 핵 스핀에 달려 있었기 때문에 탐지기에서 관찰 된 빔릿의 수를 세는 것이 었습니다. 이것으로부터 그들은 나트륨의 핵 스핀이 3/2 이라고 추론 할 수 있었지만,몇 달 동안 그들은 그들의 발견을 전달하지 못했고,첫 번째 실험 결과는 1933 년 3 월에만 출판되었다.
같은 해 1933 년에 스턴과 그의 집단은 양성자의 자기 모멘트를 측정했는데,이는 폴 디랙의 1928 년 이론이 예측한 것보다 약 2.8 배 더 큰 것으로 밝혀졌다. 이 예기치 않은 결과는 사실 중요한 발견이었습니다. 전자의 스핀의 발견은 원자 구조의 이해를 얻기에 처음으로 중요했다. 마찬가지로,양성자의 자기 모멘트에 대한 지식이 핵 구조 분야에서 비슷한 역할을 할 것으로 예상되었다.
스턴과 그의 협력자들의 측정의 근본적인 특성은 라비가 양성자의 자기 모멘트와 듀테론의 자기 모멘트를 측정하기 위해 자신의 실험을 시작하도록 자극했다. 두 박사후 연구원,제이 엠.비.켈로그와 제롤드 알.자카리아스와 함께,라비는 브라이트-라비 이론을 적용하여,양성자의 자기 모멘트를 측정하기 위해 컬럼비아 대학에서 재빨리 실험을 시작했다.
1934 년에 발표된 결과는 스턴의 놀라운 결과보다 훨씬 더 큰 가치를 나타냈다. 1936 년에 수행 된 추가 시도는 각 빔 입자가 순차적으로 통과 한 두 개의 편향 자석으로 새로운 방법을 사용했습니다. 첫 번째 불균일 자기장에서 편향 된 후,빠른 원자와 느린 원자는 두 번째 불균일 필드에 의해 검출기에 다시 집중되어 빔 입자의 분산 된 속도와 관련된 합병증을 피할 수 있습니다. 두 개의 편향 자석 사이에 새로운 정적 인 티 모양의 필드가있었습니다. 정적 필드 여 물 통을 통과 하는 빔 회전,또는 진동,자기장,자기장에 대 한 자기 모멘트의 라 르 모 르 세차 운동 주파수에 대 한 명백한 필드 각 속도 했을 때 다른 한 방향에서 플립 만드는 자기 모멘트에 팁 힘을 발휘 하는 동등한 보았다. 수소 원자의 자기 상태 사이의 이러한 자극 된 전이에 대한 연구는 처음으로 양성자와 중수소의 자기 모멘트가 양성임을 결정할 수있었습니다. 이 새로운 배열의 효과는 실험 결과를 크게 개선하여 양성자의 자기 모멘트의 측정 값의 불확실성을 10%에서 5%,4%대신 26%로 줄였습니다. 그러나 이러한 결과는 더 나은 가치와 순간의 징후뿐만 아니라 중성자의 자기 모멘트를 제공했습니다.
자기 공명 방법
1930 년대 대부분의 라비와 그의 협력자들,이 시간에는 폴리 카르프 쿠쉬,시드니 밀만,노먼 램지도 포함되었으며,수소 원자의 처음 두 동위 원소를 계속 조사했다. 세 번째 실험을 계획 할 때 이전 실험에서 사용 된 것과 매우 유사한 장치가 설계되었지만 다소 수정 된 형태로 설계되었습니다. 두 개의 강한 불균일 편향 필드는 다시 반대 방향으로 빔 입자를 편향하도록 설정되었고,두 번째 자석의 전계 강도는 첫 번째 자석이 한 일을 정확히 취소하도록 설정되었습니다. 이 두 필드만 빔에 작용한다면,검출된 원자의 수는 마치 두 번째 필드가 첫 번째 필드의 동작을 정확히 보상하기 때문에 필드가 존재하지 않는 것과 같을 것이다.
이 실험의 진정한 참신함은 세 번째 단순한 정적 티-필드는 강한 일정한 균질 필드에 직각으로 겹쳐지고 조정 가능한 무선 주파수에서 진동하는 약한 필드 구성 요소에 의해 보충되었다는 것입니다. 이 진동 성분은 두 번째 일정한 불균일 필드에 들어가기 직전에 자기 모멘트의 전이(뒤집기)를 유도하는 전진 원자의 방향을 바꿀 수 있습니다.
가시 광선의 공명 흡수에 대한 완전한 비유에서,교류 필드가 두 레벨 사이의 에너지 차이에 대한 보어의 주파수 조건을 만족하면 다른 양자 상태로의 전이가 한 제만 초미세 수준에서 다른 수준으로 발생할 수 있습니다. 그러나 광 주파수 대신 에너지 레벨 간의 차이가 매우 작기 때문에 일반적으로 무선 범위의 주파수를 처리했습니다. 각 분자는 동일한 주파수의 많은 주기를 보고 전환의 확율은 이렇게 강화되었다. 정적 필드의 라르 모르 세차 운동 주파수가 진동 필드의 주파수와 일치 할 때,많은 원자가 다른 방향으로 뒤집어 검출기를 놓친다. 이 경우 검출기는 표시된 공진 최소값을 등록합니다.이 최소값의 주파수 위치는 무선 주파수 게이지로 달성 할 수있는 특별한 정밀도로 결정됩니다. 라르 모어 주파수가 더 이상 진동 필드의 주파수와 공진하지 않을 때,원자는 모두 검출기에 다시 초점을 맞추고 신호는 다시 한 번 커집니다.
이것은 자기 공명 방법의 핵심이었고,분자 및 원자 빔 기술의 가장 중요한 개선이었으며,이는 전자 및 원자핵의 세계와 무선 관계를 수립하는 데 전례없는 정확성을 분명히 제공했습니다. 그것의 가장 직접적인 응용 프로그램은 핵 자기 모멘트의 측정이었다. 에 대한 기초 이것은 공명 조건 f=(h~)/Ih,에서는 f 은 주파수의 선행의 축의 핵 스핀에서의 자기장 강도에서,그 μ 는 순간 자기의 핵. 그만큼 수 나는 이다 핵 스핀 양자 수,정수 또는 반 정수,및 시간 이다 플랑크 상수. 세차운동의 빈도는 일단 감지되면 높은 정확도로 쉽게 측정되며,따라서 스핀이 알려진 경우 자기 모멘트를 찾을 수 있습니다. 따라서 진동 필드의 주파수가 천천히 변화하면 필드의 주파수가 라르 모 주파수와 같을 때 검출기에 도착하는 원자 수가 급격히 감소합니다(공명 현상). 그런 다음 이러한 각 공명은 자기 모멘트의 비율 및 따라서 자기 모멘트의 값을 제공합니다.
첫 번째 핵 자기 공명 곡선은 1938 년 1 월 15 일 물리적 검토에 보냈습니다. 공명 방법으로 수소에 대한 측정은 1938 년 늦은 봄에 계속되었습니다. 예측 된 바와 같이,헌팅턴병 분자에서 두 개의 강한 공진이 관찰되었는데,그 중 하나는 양성자와 관련이 있고 다른 하나는 듀테론과 관련이 있습니다. 이 두 공명 흡수는 향상된 정밀도로 양성자와 중수소 모두의 자기 모멘트를 결정하는 것을 가능하게했습니다. 그러나 두 분자 모두 물 2 과 디 2 그룹이 예상 한 단일,강한 좁은 공명 대신 서로 다른 흡수 패턴을 제시했습니다. 새로운 장치는 여러 공명 패턴의 세부 사항을 밝혀,하지만 이론은 얻어진 데이터를 설명하지 않았고,라비는 곧이 듀테론의 또 다른 예상치 못한 속성의 존재에 기인 할 수 있음을 깨달았다:작지만 유한 전기 사중 극자 모멘트,이는 구형 전하 분포에서 가장 낮은 차 이탈의 척도이다. 1940 년에 발표 된이 광범위한 발견은 매우 놀라운 일이었습니다. 이로 인해 이론가들은 중성자와 양성자를 하나로 묶을 것으로 추정되는 중앙 세력을 포기하고 1930 년대 초의 첫 번째 핵 모델이 가정했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 인정할 수밖에 없었다.
제 2 차 세계 대전으로 인한 노벨상 연속의 격차 이후 스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1943 년 오토 스턴에게”분자 광선 방법의 개발과 양성자의 자기 모멘트의 발견에 기여한 것”과 1944 년 이시도르 라비에게”원자핵의 자기 특성을 기록하는 공명 방법”을 수여 할 것이라고 발표 한 것은 1944 년 가을까지였습니다.
제 2 차 세계 대전 이후 핵 자기 공명은 물리적 및 화학적 분석의 주력이되었습니다. 그러나 나중에,라비의 발견은 자기 공명 영상(자기 공명 영상),지금은 세계 의료 센터에서 사용되는 강력한 의료 진단 도구로 확장되었다. 이후 수십 년 동안,분자 빔 방법은 널리 물리학 및 물리 화학 커뮤니티 전 세계에 의해 채택되어,약 20 노벨상은 분자 빔 방법을 기반으로 작업을 위해 수여되었다;그 중 쿠쉬와 램지가 있었다,라비의 전 협력자의 두.
참고문헌
Krige,J.(2005)Isidor I.Rabi and CERN. 관점의 물리학 7:150-164
라비,인공 지능. 1963 년 12 월 8 일 토마스 쿤 인터뷰. 닐스 보어 도서관\&아카이브,미국 물리학 연구소,칼리지 파크,메릴랜드,미국,http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
리그든,제이에스(1983)1930 년대 수소에 대한 분자 빔 실험.물리 과학의 역사 연구 13(2):335-373
리그든,제이에스(2008)라비,이시도르 이삭. 과학 전기의 완전한 사전에. 집. 24. 디트로이트:찰스 스크라이브너의 아들,디트로이트. 191-197 쪽. 게일 가상 레퍼런스 라이브러리
http://go.galegroup.com/ps/i.do?id=GALE%7CCX2830906032&v=2.1&u=mpi_vb&it=r&p=GVRL&sw=w&asid=49bfc365b28fab40b3d973344d8135cf
토니즈,제이피 외. (2011)오토 스턴(1888-1969): 실험 원자 물리학의 창립 아버지. 1987 년 노벨상 수상자,뉴욕 윌슨 컴퍼니,847-849 쪽