Av Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobelprisen I Fysikk 1944
«for hans resonansmetode for registrering av de magnetiske egenskapene til atomkjerner».
Som Norman Ramsey, en Av Isidor Rabis biografer framhevet, » en del vitenskapsmenn gjør deres største bidrag gjennom deres egen personlige forskning, mens andre er best husket for deres generelle visdom og deres innflytelse på andre. Noen Få, inkludert Rabi, utmerker seg i begge henseender.»Det ville faktisk være reduktivt å snakke Om Rabis viktige funn, som førte til Hans Nobelpris i 1944, uten å nevne hvordan hans innflytelse strakte seg langt utover sitt eget laboratorium og hvordan under hans visjonære ledelse som statsmann for vitenskap ble mange vellykkede ventures i nasjonalt og internasjonalt samarbeid innen vitenskap realisert. Spesielt var han en av grunnleggerne Av Brookhaven National Laboratory og en hovedpromotor AV cern laboratory. Hans gode rykte og hans kontakter, med de ledende fysikere så vel som med regjeringens ledere I Fn, ble til verdifulle verktøy da han ble talsmann for fredelig bruk av kjernekraft.
Bli en dyktig i kvanteteori
Isidor Isaac Rabi ble født I Rymanow, Østerrike-Ungarn, I 1898, helt på slutten av det 19. århundre, da Røntgenstråler, radioaktivitet og elektron ble oppdaget. Året etter flyttet foreldrene til New York City hvor han gikk på offentlig skole, men fikk mye av sin utdannelse og interesse for vitenskap gjennom bøker lånt fra public library. I 1916, etter eksamen Fra videregående skole, Rabi gikk Cornell University med et stipend, starter i elektroteknikk, men eksamen innen kjemi. Etter tre år langt fra universitetet, returnerte han først Til Cornell, for å gjøre utdannet arbeid i kjemi, flyttet et år senere Til Columbia University og vendte seg til fysikk.
I 1923, da Rabi begynte sine fysikkstudier, oppdaget Han at hans virkelige interesse var kvanteteorien. Imidlertid var ingen fysikkprofessor ved Columbia virkelig kjent med slike nyheter som kommer Fra Europa, og han måtte velge et avhandlingsemne som involverte måling av magnetisk følsomhet av en serie krystallinske salter. I mellomtiden organiserte han en studiegruppe med medstudenter for å gripe med kvantemekanikk. I juli 1927 sendte Rabi sin doktoravhandling til Tidsskriftet Physical Review, og neste dag giftet Han Seg Med Helen Newmark. Kort tid etter, som mange ANDRE amerikanske unge fysikere, dro han på et reisefellesskap til Europa for å få et nærmere syn på pionerene i den nye kvantemekanikken.
En Europeisk Tur gjennom Kvantemekanikkens Sentre
I Løpet av De første månedene Besøkte Rabi Erwin Schrö I Zurich, Arnold Sommerfeld I Munchen og Niels Bohr I København. Sistnevnte ordnet For Rabi å bo I Hamburg, Med Wolfgang Pauli, som på den tiden var en samarbeidspartner Av Otto Stern, en av grunnleggerne av eksperimentell atomfysikk ikke inkludert spektroskopi. I slutten av oktober kom Rabi dit med Yoshio Nishina, som besøkte Europa fra Japan. Rabi kjente Godt Stern-Gerlach-eksperimentet fra 1922, som hadde vist seg å være en av milepælene på veien til moderne kvantefysikk. Ved å sette opp dette eksperimentet ble Stern styrt Av Sommerfelds forlengelse av Bohr – teorien om atomet – en forlengelse uavhengig fremsatt Av Peter Debye-der, i tillegg til de vanlige kvantumnumrene for banens størrelse og form, ble det foreslått en kvantisering av romlig orientering av «Keplerske» elektronbaner rundt kjernen, et forslag referert til som romkvantisering. På grunn av orbitalbevegelsen til en enkelt elektron kan et atom ha et magnetisk øyeblikk som bestemmer samspillet med eksterne elektriske og magnetiske felt. Romlig kvantisering tillot bare utvalgte diskrete orienteringer av hver atommagnet i forhold til retningen av et eksternt påført magnetfelt. I Stern-Gerlach-eksperimentet passerte en kollimert stråle av sølvatomer, alle med samme magnetiske øyeblikk, som strømmer fra et lite hull i en oppvarmet ovn og beveger seg med termiske hastigheter, gjennom et sterkt, ujevnt magnetfelt. På sin vei mellom ovnen og detektoren vil magnetfeltet utøve et dreiemoment på den magnetiske dipolen, som dermed vil presere om retningen av magnetfeltet. Det ikke-ensartede feltet vil også utøve på det magnetiske øyeblikket en tverrkraft, hvis størrelse og retning avhenger av orienteringen av atomets magnetiske øyeblikk i forhold til retningen av det eksternt påførte magnetfeltet. Komponenten av det magnetiske øyeblikket parallelt med feltretningen vil ikke bli påvirket.
det klassiske bildet inneholder ingen begrensning på vinkelen der atommagneten kan precessere om magnetfeltet. Forventningen er at de magnetiske dipolmomentene til atomene på grunn av termiske effekter i ovnen vil være tilfeldig orientert i rommet med hensyn til feltets retning. Bevegelsesretningene til atomene i den første strålen ville bli forskjøvet av tilfeldige mengder vinkelrett på bevegelsesretningen til den første strålen. En kontinuerlig gradering av avbøyninger bør derfor forekomme, og den overførte strålen vil bare spre seg ut som en vifte.
Faktisk Fant Stern Og Gerlach at på den kalde glassdetektorplaten splittet foreldrestrålen i to forskjellige deler – uten spor av sølvatomer i det sentrale området, hvor man ville ha forventet de ubesvarte atomer – noe som innebar at i tilfelle av sølvatomer er bare to forskjellige orienteringer tillatt med hensyn til magnetfeltets retning. Stern og Gerlach betraktet dermed resultatet som en avgjørende tilbakevending av den klassiske teorien, som motbeviste den klassiske larmorteorien, som var basert på kontinuerlige verdier for retningen av de magnetiske øyeblikkene. Men samtidig betraktet de feilaktig fenomenet en bekreftelse på den gamle kvanteteorien, ifølge hvilken det magnetiske øyeblikket til sølvatomet skyldtes elektronens orbitale vinkelmoment.
Uvitende hadde de faktisk vært de første til å observere kvantiseringen av magnetisk øyeblikk forbundet med elektronspinn, fordi deres sølvatomer faktisk var i grunntilstanden, med totalt orbitalt magnetisk øyeblikk lik null, slik at atomets magnetiske dipolmoment var helt på grunn av elektronens spinn, et nytt kvantetall som ville bli introdusert i 1925 av George Uhlenbeck og Samuel Goudsmit.
Stern-Gerlach-eksperimentet, en tidlig triumf av molekylstrålemetoden, som tilbyr andre enn spektroskopiske bevis på at kvanteobjekter utviser oppførsel som er uforenlig med klassisk fysikk, hadde bedøvet Og fascinert Rabi som student, da han fortsatt var skeptisk til kvanteteorien. Han ble overbevist om at systemet av ideer underliggende Bohr atom og forsøk på å utvide disse ideene til andre atomfenomener var velbegrunnet og begynte å studere og diskutere med sine venner alle papirer som ville bli gradvis innlemmet i den formelle strukturen i den nye kvantemekanikken.
mens Han jobbet med Nishina og Pauli på teoretisk arbeid, tilbrakte Han litt tid I Sterns laboratorium og gjennomførte det som ble hans første molekylære stråleeksperiment. Magnetfeltkonfigurasjonen han designet for å avlede strålepartiklene ble kjent som Rabi-feltet. Rabi arbeid I Stern laboratorium var avgjørende i å snu sin interesse mot molekylær stråle forskning.
Etter Hamburg dro Rabi til Leipzig for å jobbe med Werner Heisenberg, men i mellomtiden forlot Pauli Hamburg for en stol I Zurich, Og I Mars 1929 Fulgte Rabi Og Robert oppenheimer, som han hadde møtt for første gang I Leipzig, ham til Zurich. Nok en gang var Det en fantastisk anledning til å bli kjent med noen av de fineste sinnene i fysikk, men hans opphold i Zurich endte da Rabi i slutten Av Mars mottok en kabel fra Columbia University, og tilbød ham et foreleser ved fysikkavdelingen. De søkte etter en teoretisk fysiker, som kunne lære den nye kvantemekanikken, Og Heisenberg selv, under et besøk I Columbia, hadde sterkt anbefalt Rabi for en slik stilling. Han aksepterte raskt, og den 1. August 1929 forlot Han Europa med sin unge kone. Hans vitenskapelige læretid var avsluttet, han hadde utviklet en ny bevissthet og kunnskap om fysikk ved selve kildene til den nye kvantemekanikken.
Molekylære Bjelker For Å Undersøke Kjernen
Rabi viet sitt første år Ved Columbia som foreleser utelukkende til den anstrengende innsatsen for å undervise de mest avanserte kursene i avdelingen. Dermed begynte hans gjennomgripende innflytelse På Amerikansk fysikk. I løpet av de neste to årene gjorde han teoretisk forskning i solid state fysikk, men hans tanker var veldig ofte rettet mot molekylære bjelker.
I 1931 forsøkte Harold Urey, Rabis Columbia-kollega, å bestemme atomspinnet av natrium ved en analyse av dets spektrum, med ufullstendige resultater. På den tiden inspirerte hans langvarige engasjement i isotopforskning ham til å søke etter deuterium, hydrogen – 2 isotopen, hvis eksistens han faktisk annonserte I Physical Review På Nyttårsdag, 1932. For denne oppdagelsen Ble Urey tildelt Nobelprisen i Kjemi 1934. Bare syv uker senere annonserte James Chadwick «mulig eksistens av et nøytron», en grunnleggende oppdagelse som offisielt åpnet atomæraen.
men i 1931 var nøytronet ennå ikke der, og atomkjernen var fortsatt en terra incognita, et uutforsket territorium som snart ble domenet Til Rabis vitenskapelige eventyr. Rabi så at molekylstråleteknikken kunne brukes til å takle utfordringen som tilbys av usikkerheten knyttet til kjernespinnet av natrium. Det kan gi tilgang til grunnleggende spørsmål knyttet til både kvanteverdenen og atomområdet. Rabi ønsket å måle det magnetiske øyeblikket til en kjerne på den måten Stern hadde målt det magnetiske øyeblikket til et sølvatom. Imidlertid var det nødvendig med mange forbedringer for å forvandle Det grunnleggende Stern-Gerlach-eksperimentet til en teknikk som kunne brukes til kvantitative målinger.
i prinsippet kunne kjernemagnetiske egenskaper bestemmes gjennom analyse av atomspektra, men på grunn av minuttstørrelsen på atommomentene – tre størrelsesordener mindre enn deres elektroniske motstykker – ble eksperimentelle teknikker anstrengt til grensen, og det var ganske vanskelig å få denne typen informasjon via spektroskopi. Anvendelse Av Et Eksperiment Av Stern-Gerlach-typen til måling av kjernemagnetiske egenskaper ville gi en uavhengig kontroll på de vanskelige spektroskopiske metodene, og samtidig gi tilgang til nukleare data som ellers ikke var tilgjengelige.
Sammen Med Gregory Breit, hans kollega Fra New York University, Hadde Rabi satt opp et felles seminar for å utforske og diskutere atom-kjernefysiske fenomener. I 1931 utviklet de en formel som viste variasjonen av det magnetiske øyeblikket til et atom for de forskjellige Zeeman-nivåene av hyperfin struktur under påvirkning av et eksternt magnetfelt. Strålemetoden kan dermed brukes til å undersøke atomenes kjernemagnetiske egenskaper.
Med Victor Cohen, hans første kandidatstudent, Begynte Rabi sitt banebrytende eksperimentelle arbeid med nøyaktig måling av kjernefysiske egenskaper, noe som førte Ham til forkant av kjernefysikk i løpet av det følgende tiåret. Ved å variere avbøyningsfeltene langs stien som krysses av natriumatomer, ble strålen delt inn i individuelle bjelker i hver av hvilke natriumatomene var i samme hyperfine kvantetilstand. Det totale antall beamlets var avhengig av kjernespinnet av natrium, derfor var alt de måtte gjøre, telle antall beamlets observert ved detektoren. Fra dette kunne de utlede at kjernespinnet av natrium er 3/2, men i mange måneder kommuniserte de ikke sine funn, og de første eksperimentelle resultatene ble kun publisert I Mars 1933.
I samme år 1933 hadde Stern og hans gruppe målt protonets magnetiske øyeblikk, som ble funnet å være omtrent 2, 8 ganger større enn Hva Paul Diracs 1928-teori syntes å forutsi. Dette uventede resultatet var faktisk en stor oppdagelse. Oppdagelsen av spinn av elektronen hadde vært av første betydning for å få en forståelse av atomstruktur. På samme måte ble det forventet at kunnskap om protonets magnetiske øyeblikk ville spille en lignende rolle innen atomstruktur.
Den grunnleggende karakteren av Målingene Av Stern og hans samarbeidspartnere fikk Rabi til å sette opp sitt eget eksperiment for å måle protonens – så vel som deuterons – magnetiske øyeblikk. Med to postdoktorer, Jmb Kellog Og Jerrold R. Zacharias, Begynte Rabi raskt å sette opp et eksperiment Ved Columbia University for å måle protonets magnetiske øyeblikk ved å anvende Breit-Rabi-teorien.
Resultater publisert i 1934 indikerte en enda større verdi enn Sterns overraskende resultat. Ytterligere forsøk utført i 1936 benyttet en ny metode med to avbøyningsmagneter som hver strålepartikkel passerte sekvensielt. Etter å ha blitt avbøyet i det første inhomogene magnetfeltet, ville både raske og sakte atomer bli refokusert i detektoren av det andre inhomogene feltet, og unngå komplikasjoner forbundet med de fordelte hastighetene til strålepartiklene. Mellom de to avbøyningsmagneter var det et nytt statisk, T-formet felt. Stråler som passerer gjennom det statiske feltet så ekvivalenten av et roterende eller oscillerende magnetfelt, som utøvde en tippekraft på det magnetiske øyeblikket som gjør det vende fra en orientering til en annen når det tilsynelatende feltet hadde en vinkelhastighet omtrent lik larmor-presesjonsfrekvensen til det magnetiske øyeblikket om magnetfeltet. Studien av disse stimulerte overgangene mellom magnetiske tilstander av hydrogenatomet tillot for første gang å bestemme at protonens og deuterons magnetiske øyeblikk er positive. Effekten av dette nye arrangementet var at det forbedret de eksperimentelle resultatene sterkt, og reduserte usikkerheten i den målte verdien av protonens magnetiske øyeblikk fra 10 prosent til 5 prosent og 4 prosent i stedet for 26 prosent for deuteron. Men ikke bare ga disse resultatene bedre verdier og tegn på øyeblikket, men også nøytronets magnetiske øyeblikk.
Den Magnetiske Resonansmetoden
Gjennom det meste Av 1930-tallet Fortsatte Rabi Og hans samarbeidspartnere, som på denne tiden også Inkluderte Polykarp Kusch, Sydney Millmann og Norman Ramsey, å undersøke de to første isotoper av hydrogenatomet. Ved planlegging av et tredje eksperiment ble et apparat som ligner det som ble brukt i det foregående eksperimentet designet, men i en noe modifisert form. De to sterke inhomogene avbøyningsfeltene ble igjen satt opp for å avbøye strålepartikler i motsatte retninger, og feltstyrken til den andre magneten ble satt til å nøyaktig angre hva den første magneten gjorde, det vil si å refokusere strålepartiklene i detektoren. Hvis disse to feltene alene virket på strålen, ville antall atomer oppdaget være det samme som om det ikke var noen felt tilstede, fordi det andre feltet ville kompensere nøyaktig virkningen av det første feltet.
den virkelige nyheten av dette eksperimentet var at det tredje enkle statiske t-feltet ble supplert med en svak feltkomponent overlagret i rette vinkler til det sterke konstante homogene feltet og oscillerende ved en justerbar radiofrekvens. Denne oscillatoriske komponenten kan endre orienteringen av precessingatomer som induserer overganger (flipping over) av de magnetiske øyeblikkene like før de kom inn i det andre konstante inhomogene feltet.
i full analogi til resonansabsorpsjonen av synlig lys, kan overganger til forskjellige kvantetilstander forekomme fra Et Zeeman hyperfine nivå til et annet hvis det vekslende feltet tilfredsstilte Bohrs frekvensbetingelse for energiforskjellen mellom de to nivåene. Men i stedet for optiske frekvenser behandles man her normalt med frekvenser i radioområdet, fordi forskjellene mellom energinivåene er svært små. Hvert molekyl så mange sykluser av samme frekvens, og sannsynligheten for en overgang ble dermed forbedret. Når larmor-presesjonsfrekvensen i det statiske feltet samsvarer med frekvensen til det oscillerende feltet, svinger mange atomer til en annen orientering og savner detektoren. I dette tilfellet registrerer detektoren et markert resonansminimum, og frekvensposisjonen til dette minimumet bestemmes med den ekstraordinære presisjonen som kan oppnås med radiofrekvensmåleren. Når larmorfrekvensen ikke lenger er i resonans med frekvensen til det oscillerende feltet, blir atomene alle refokusert i detektoren, og signalet er igjen stort.
Dette var kjernen i magnetisk resonansmetoden, den mest signifikante forbedringen i molekylære og atombjelke teknikker, som klart tilbød enestående nøyaktighet i å etablere radioforbindelser med elektronens og atomkjernens verden. Den mest direkte applikasjonen var måling av atommagnetiske øyeblikk. Grunnlaget for dette er resonansbetingelsen f=(µ)/Ih, hvor f er frekvensen av presesjon av aksen for nukleær spinn I et magnetfelt av styrke H, og μ er kjernens magnetiske øyeblikk. Tallet I er atomspinnkvantumnummeret, et heltall eller et halvt heltall, og h Er Plancks konstant. Frekvensen av presesjon, når den er oppdaget, måles lett med høy nøyaktighet, og dermed kan man bestemme mengden μ / Ih, og det magnetiske øyeblikket kan bli funnet hvis spinnet er kjent. Derfor, hvis frekvensen av det oscillerende feltet sakte varieres, oppstår en kraftig reduksjon (resonansfenomenet) i antall atomer som kommer til detektoren når frekvensen av feltet er Lik larmorfrekvensen. Hver slik resonans gir deretter en verdi av forholdet μ / Ih og dermed av det magnetiske øyeblikket.
den første atommagnetiske resonanskurven ble sendt Til Fysisk Gjennomgang 15.januar 1938. Målinger på hydrogen med resonansmetoden fortsatte sent på våren 1938. Som spådd ble det observert to sterke resonanser med molekylet HD, hvorav DEN ene var forbundet med protonen, den andre med deuteron. Begge disse resonansabsorpsjonene gjorde det mulig å bestemme de magnetiske øyeblikkene til både protonen og deuteronen med forbedret presisjon. Imidlertid presenterte både molekylene H2 Og D2 et mønster av forskjellige absorpsjoner, i stedet for den enkle, sterke smale resonansen gruppen forventet. Et nytt apparat avslørte detaljene i det multiple resonansmønsteret, men teorien tok ikke hensyn til de innhentede dataene, Og Rabi innså snart at dette kunne skyldes eksistensen av en annen uoppdaget egenskap av deuteron: et lite, men endelig elektrisk quadrupole øyeblikk, som er et mål for laveste ordensavgang fra en sfærisk ladningsfordeling. Denne vidtgående oppdagelsen, annonsert i 1940, var ganske overraskende. Det forpliktet straks teoretikere til å avstå fra de sentrale styrkene som antas å binde nøytron og proton sammen og å innrømme at kjernefysiske styrker er mye mer komplekse enn de første kjernefysiske modellene på begynnelsen av 1930-tallet hadde antatt.
Etter gapet i Den årlige rekkefølgen Av Nobelprisene, på grunn Av Andre Verdenskrig, var det ikke før høsten 1944 at Kungliga Vetenskapsakademien kunngjorde At For 1943 skulle prisen bli tildelt Otto Stern, «for hans bidrag til utviklingen av molekylstrålemetoden og hans oppdagelse av protonets magnetiske øyeblikk», og at For 1944 Til Isidor Rabi, «for hans resonansmetode for registrering av atomkjernens magnetiske egenskaper».
etter Andre Verdenskrig ble kjernemagnetisk resonans (NMR) en arbeidshest for fysisk og kjemisk analyse. Enda senere Ble Rabis oppdagelse utvidet Til Magnetisk Resonans Imaging (MRI), et kraftig medisinsk diagnostisk verktøy, som nå brukes i medisinske sentre over hele verden. I de påfølgende tiårene har molekylstrålemetoden blitt mye vedtatt av fysikk og fysisk kjemi samfunn over hele verden, og om lag 20 Nobelpriser ble tildelt for arbeid basert på molekylærstrålemetoden; blant dem var Kusch og Ramsey, to Av Rabis tidligere samarbeidspartnere.
Bibliografi
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi Og CERN. Fysikk I Perspektiv 7: 150-164
Rabi, I. I., Intervju Av Thomas S. Kuhn, 8. desember 1963. Niels Bohr Library \ & Arkiv, American Institute Of Physics, College Park, MD USA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, Js (1983) Molekylære Stråleeksperimenter på Hydrogenene i løpet av 1930-tallet. Historiske Studier I Naturvitenskap 13(2): 335-373
Rigden, Js (2008) Rabi, Isidor Isaac. I Komplett Ordbok For Vitenskapelig Biografi. Vol. 24. Detroit: Charles Scribners Sønner, Detroit. s. 191-197. Gale Virtuelle Referansebibliotek
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): Grunnleggeren av eksperimentell atomfysikk. Annalen Der Physik 523 (12): 1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, Ii I Nobelprisvinnere, Hw Wilson Company, New York, s. 847-849