by Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobel Prize in Physics 1944
“for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei”.Zoals Norman Ramsey, een van Isidor Rabi ‘ s biografen benadrukte, “sommige wetenschappers leveren hun grootste bijdrage door hun eigen persoonlijke onderzoek, terwijl anderen het best worden herinnerd om hun algemene wijsheid en hun invloed op anderen. Een paar, waaronder Rabi, blinken uit in beide opzichten.”Het zou eigenlijk reductief zijn om te praten over Rabi’ s belangrijke ontdekkingen, die leidden tot zijn Nobelprijs in 1944, zonder te vermelden hoe zijn invloed zich uitstrekte tot ver buiten zijn eigen laboratorium en hoe, onder zijn visionaire leiding als staatsman van de wetenschap, vele succesvolle ondernemingen in de nationale en internationale samenwerking in de wetenschap werden gerealiseerd. In het bijzonder was hij een van de oprichters van het Brookhaven National Laboratory en een belangrijke promotor van het CERN laboratorium. Zijn grote reputatie en zijn contacten, zowel met de belangrijkste natuurkundigen als met de regeringsleiders van de Verenigde Naties, werden waardevolle instrumenten toen hij een woordvoerder werd voor het vreedzame gebruik van kernenergie.Isidor Isaac Rabi werd geboren in Rymanow, Oostenrijk-Hongarije, in 1898, aan het einde van de 19e eeuw, toen röntgenstralen, radioactiviteit en het elektron werden ontdekt. Het volgende jaar verhuisden zijn ouders naar New York City, waar hij naar de openbare school ging, maar hij kreeg veel van zijn opleiding en interesse in wetenschap door boeken te lenen van de openbare bibliotheek. In 1916, na zijn afstuderen aan de middelbare school, Rabi ging Cornell University met een beurs, beginnend in elektrotechniek, maar afstuderen op het gebied van de chemie. Na drie jaar ver van de universiteit, keerde hij eerst terug naar Cornell, om af te studeren in de chemie, verhuizen een jaar later naar Columbia University en wenden tot natuurkunde.In 1923, toen Rabi aan zijn natuurkunde-studie begon, ontdekte hij dat zijn werkelijke interesse de kwantumtheorie was. Echter, geen enkele hoogleraar natuurkunde aan Columbia was echt vertrouwd met dergelijke nieuwigheden uit Europa en hij moest kiezen voor een proefschrift onderwerp dat betrekking had op het meten van de magnetische gevoeligheid van een reeks van kristallijne zouten. Ondertussen organiseerde hij een studiegroep van medestudenten om te worstelen met kwantummechanica. In juli 1927 diende Rabi zijn proefschrift in bij het tijdschrift Physical Review en de volgende dag trouwde hij met Helen Newmark. Kort daarna ging hij, net als vele andere jonge natuurkundigen, op reis naar Europa om de pioniers van de nieuwe kwantummechanica beter te kunnen zien.Tijdens de eerste maanden bezocht Rabi Erwin Schrödinger in Zürich, Arnold Sommerfeld in München en Niels Bohr in Kopenhagen. De laatste zorgde ervoor dat Rabi in Hamburg bleef, samen met Wolfgang Pauli, die destijds een medewerker was van Otto Stern, een van de grondleggers van de experimentele atoomfysica zonder spectroscopie. Eind oktober arriveerde Rabi met Yoshio Nishina, die vanuit Japan Europa bezocht. Rabi kende het Stern-Gerlach-experiment van 1922 goed, dat een van de mijlpalen bleek te zijn op de weg naar de moderne kwantumfysica. Bij het opzetten van dit experiment, werd Stern geleid door Sommerfelds uitbreiding van de Bohr theorie van het atoom – een onafhankelijke uitbreiding naar voren gebracht door Peter Debye – waarin, naast de gebruikelijke kwantumgetallen voor de grootte en vorm van banen, een kwantisering van de ruimtelijke oriëntatie van de “Kepleriaanse” elektronen banen rond de kern werd voorgesteld, een voorstel dat ruimtekwantisatie wordt genoemd. Door de orbitale beweging van een enkel elektron, kan een atoom een magnetisch moment bezitten dat zijn interactie met externe elektrische en magnetische velden bepaalt. Ruimtelijke kwantificering toegestaan alleen geselecteerde discrete oriëntaties van elke atomaire magneet ten opzichte van de richting van een extern toegepast magnetisch veld. In het experiment Stern-Gerlach ging een gecollimeerde bundel van zilveratomen, allen met hetzelfde magnetische moment, die uit een klein gaatje van een verwarmde oven vloeide en met thermische snelheden bewoog, door een sterk niet-uniform magnetisch veld. Op zijn weg tussen de oven en de detector, zal het magnetische veld een koppel uitoefenen op de magnetische dipool, die dus over de richting van het magnetische veld precess. Het niet-uniforme veld zal op het magnetische moment ook een dwarskracht uitoefenen, waarvan de grootte en richting afhankelijk zijn van de oriëntatie van het magnetische moment van het atoom ten opzichte van de richting van het uitwendig toegepaste magnetische veld. De component van het magnetische moment evenwijdig aan de veldrichting wordt niet beïnvloed.
het klassieke beeld bevat geen beperking van de hoek waaronder de atomaire magneet kan precess over het magnetisch veld. De verwachting is dat, door thermische effecten in de oven, de magnetische dipoolmomenten van de atomen willekeurig in de ruimte zullen worden georiënteerd ten opzichte van de richting van het veld. De bewegingsrichtingen van de atomen in de aanvankelijke straal zouden door willekeurige hoeveelheden loodrecht op de bewegingsrichting van de aanvankelijke straal worden verplaatst. Een continue gradatie van afbuigingen zou dus moeten plaatsvinden, en de uitgezonden bundel zou zich slechts verspreiden als een ventilator. In feite hebben Stern en Gerlach geconstateerd dat op de plaat van de koude-glasdetector de moederstraal in twee afzonderlijke delen is gesplitst – zonder spoor van zilveratomen in het centrale gebied, waar men de niet-gevlekte atomen had verwacht-wat betekent dat, in het geval van de zilveratomen, slechts twee verschillende oriëntaties zijn toegestaan met betrekking tot de richting van het magnetische veld. Stern en Gerlach beschouwden hun resultaat dan ook als een beslissende weerlegging van de klassieke theorie en weerlegden de klassieke Larmor-theorie, die gebaseerd was op continue waarden voor de richting van de magnetische momenten. Maar tegelijkertijd beschouwden ze het fenomeen ten onrechte als een bevestiging van de oude kwantumtheorie, volgens welke het magnetische moment van het zilveren atoom te wijten was aan het orbitale impulsmoment van de elektronen.
onbewust waren zij de eersten die de kwantisatie van magnetisch moment in verband met elektron spin observeerden, omdat hun zilveratomen zich in de grondtoestand bevonden, met een totaal orbitaal magnetisch moment gelijk aan nul, zodat het magnetisch dipoolmoment van het atoom volledig te wijten was aan de spin van het elektron, een nieuw kwantumgetal dat in 1925 zou worden geïntroduceerd door George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit. Het Stern-Gerlach-experiment, een vroege triomf van de moleculaire straalmethode, met ander-dan-spectroscopisch bewijs dat kwantumobjecten gedrag vertonen dat onverenigbaar is met de klassieke natuurkunde, had Rabi als student verbijsterd en geïntrigeerd toen hij nog sceptisch was over de kwantumtheorie. Hij werd ervan overtuigd dat het systeem van ideeën die ten grondslag liggen aan het Bohr-atoom en de pogingen om deze ideeën uit te breiden tot andere atomaire verschijnselen waren goed gefundeerd en begon te bestuderen en te bespreken met zijn vrienden alle papieren die geleidelijk zou worden opgenomen in de formele structuur van de nieuwe kwantummechanica. Terwijl hij met Nishina en Pauli aan theoretisch werk werkte, bracht hij enige tijd door in het laboratorium van Stern en voerde met succes zijn eerste moleculaire-straalexperiment uit. De magnetische veldconfiguratie die hij ontwierp om de straaldeeltjes af te buigen werd bekend als het Rabi-veld. Rabi ’s werk in Stern’ s laboratorium was beslissend in het draaien van zijn interesse in moleculaire straal onderzoek. Na Hamburg ging Rabi naar Leipzig om met Werner Heisenberg te werken, maar ondertussen verliet Pauli Hamburg voor een leerstoel in Zürich en in maart 1929 volgden Rabi en Robert Oppenheimer, die hij voor het eerst in Leipzig had ontmoet, hem naar Zürich. Opnieuw was het een prachtige gelegenheid om kennis te maken met een aantal van de beste geesten in de natuurkunde, maar zijn verblijf in Zürich eindigde toen, eind maart, Rabi kreeg een kabel van Columbia University, het aanbieden van hem een lectureship aan de physics department. Ze waren op zoek naar een theoretisch natuurkundige, die de nieuwe kwantummechanica kon onderwijzen en Heisenberg zelf, tijdens een bezoek aan Columbia, had Rabi sterk aanbevolen voor een dergelijke positie. Op 1 augustus 1929 verliet hij Europa met zijn jonge vrouw. Zijn wetenschappelijke opleiding was beëindigd, hij had een nieuw bewustzijn en kennis van de natuurkunde ontwikkeld aan de bron van de nieuwe kwantummechanica.
moleculaire stralen om de kern te onderzoeken
Rabi wijdde zijn eerste jaar aan Columbia als docent uitsluitend aan de zware inspanning om de meest geavanceerde cursussen in de afdeling te onderwijzen. Zo begon zijn alomtegenwoordige invloed op de Amerikaanse natuurkunde. Gedurende de volgende twee jaar deed hij theoretisch onderzoek in de vastestoffysica, maar zijn gedachten waren zeer vaak gericht op moleculaire stralen. In 1931 probeerde Harold Urey, Rabi ‘ s Columbia-collega, de kernspin van natrium te bepalen door middel van een analyse van het spectrum van natrium, met onduidelijke resultaten. In die tijd inspireerde zijn jarenlange betrokkenheid bij isotooponderzoek hem om te zoeken naar deuterium, de Waterstof-2 isotoop, waarvan hij het bestaan aankondigde in de Physical Review op Nieuwjaarsdag, 1932. Voor deze ontdekking kreeg Urey in 1934 de Nobelprijs voor de Scheikunde. Slechts zeven weken later kondigde James Chadwick het “mogelijke bestaan van een neutron” aan, een fundamentele ontdekking die het nucleaire tijdperk officieel opende.In 1931 was het neutron er echter nog niet en de atoomkern was nog steeds een Terra incognita, een onontgonnen gebied dat spoedig het domein van Rabi ‘ s wetenschappelijke avontuur zou worden. Rabi zag dat de moleculaire Straaltechniek kon worden gebruikt om de uitdaging aan te pakken die wordt aangeboden door de onzekerheid met betrekking tot de nucleaire spin van natrium. Het zou toegang kunnen bieden tot fundamentele vragen met betrekking tot zowel de kwantumwereld als de nucleaire wereld. Rabi wilde het magnetische moment van een kern meten zoals Stern het magnetische moment van een zilveren atoom had gemeten. Er waren echter veel verfijningen nodig om het fundamentele Stern-Gerlach-experiment om te zetten in een techniek die kon worden gebruikt voor kwantitatieve metingen.
in principe konden nucleaire magnetische eigenschappen worden bepaald door de analyse van atoomspectra, maar door de minieme grootte van de nucleaire momenten – drie ordes van grootte kleiner dan hun elektronische tegenhangers – werden experimentele technieken tot het uiterste gespannen en was het vrij moeilijk om dit soort informatie via spectroscopie te verkrijgen. Toepassing van een experiment van het type Stern-Gerlach op de meting van nucleaire magnetische eigenschappen zou een onafhankelijke controle van de moeilijke spectroscopische methoden mogelijk maken en tegelijkertijd toegang verschaffen tot nucleaire gegevens die anders niet beschikbaar waren.Samen met Gregory Breit, zijn collega van de Universiteit van New York, had Rabi een gezamenlijk seminar opgezet om atoom-nucleaire fenomenen te onderzoeken en te bespreken. In 1931 ontwikkelden ze een formule die de variatie van het magnetische moment van een atoom toonde voor de verschillende zeeman niveaus van hyperfine structuur onder invloed van een extern magnetisch veld. De bundelmethode zou dus kunnen worden gebruikt om de nucleaire magnetische eigenschappen van atomen te onderzoeken. Met Victor Cohen, zijn eerste afgestudeerde student, begon Rabi zijn baanbrekend experimenteel werk over het nauwkeurig meten van nucleaire eigenschappen, wat hem in het volgende decennium op de voorgrond van de kernfysica bracht. Door de afbuigende velden langs het pad te variëren dat door de natriumatomen wordt doorkruist, werd de bundel opgesplitst in individuele bundels waarin de natriumatomen zich in dezelfde hyperfine kwantumtoestand bevonden. Het totale aantal beamlets hing af van de nucleaire spin van natrium, daarom, alles wat ze moesten doen, was het aantal beamlets waargenomen bij de detector tellen. Hieruit konden ze afleiden dat de kernspin van natrium 3/2 is, maar gedurende vele maanden communiceerden ze hun bevindingen niet, en de eerste experimentele resultaten werden pas gepubliceerd in maart 1933. In hetzelfde jaar 1933 hadden Stern en zijn groep het magnetisch moment van het proton gemeten, dat ongeveer 2,8 keer groter bleek te zijn dan wat Paul Dirac ‘ s theorie van 1928 leek te voorspellen. Dit onverwachte resultaat was in feite een grote ontdekking. De ontdekking van de spin van het elektron was van het eerste belang geweest bij het verkrijgen van een begrip van de atomaire structuur. Ook werd verwacht dat een kennis van het magnetische moment van het proton een soortgelijke rol zou spelen op het gebied van nucleaire structuur.Het fundamentele karakter van de metingen van Stern en zijn medewerkers bracht Rabi ertoe zijn eigen experiment op te zetten om zowel het proton – als het deuteron – magnetisch moment te meten. Met twee postdoctorale fellows, J. M. B. Kellog en Jerrold R. Zacharias, begon Rabi al snel een experiment aan de Columbia University om het magnetische moment van het proton te meten, door de breit-Rabi theorie toe te passen.
resultaten gepubliceerd in 1934 gaven een nog grotere waarde aan dan Sterns verrassende resultaat. Verdere pogingen uitgevoerd in 1936 gebruikt een nieuwe methode met twee afbuigende magneten dat elk bundel deeltje achtereenvolgens doorgegeven. Na afgebogen in het eerste inhomogene magnetische veld, zouden zowel snelle als langzame atomen opnieuw in de detector door het tweede inhomogene veld worden gericht, vermijdende complicaties verbonden aan de verspreide snelheden van de bundel deeltjes. Tussen de twee afbuigende magneten bevond zich een nieuw statisch, T-vormig veld. Bundels die door het statische veld gingen zagen het equivalent van een roterend of Oscillerend magnetisch veld, dat een kantelkracht op het magnetische moment uitoefende waardoor het van de ene richting naar de andere draaide wanneer het schijnbare veld een hoeksnelheid had die ongeveer gelijk was aan de Larmor precessie frequentie van het magnetische moment rond het magnetische veld. De studie van deze gestimuleerde overgangen tussen magnetische toestanden van het waterstofatoom maakte het voor het eerst mogelijk om vast te stellen dat de magnetische momenten van het proton en deuteron positief zijn. Het effect van deze nieuwe regeling was dat het sterk verbeterde de experimentele resultaten, het verminderen van de onzekerheid in de gemeten waarde van het magnetische moment van het proton van 10 procent naar 5 procent en 4 procent in plaats van 26 procent voor de deuteron. Maar niet alleen gaven deze resultaten betere waarden en de tekenen van het moment, maar ook het magnetische moment van het neutron.Gedurende het grootste deel van de jaren 1930 bleven Rabi en zijn medewerkers, waaronder Polykarp Kusch, Sydney Millmann en Norman Ramsey, de eerste twee isotopen van het waterstofatoom onderzoeken. Bij de planning van een derde experiment werd een apparaat ontworpen dat sterk lijkt op dat van het voorgaande experiment, maar in een enigszins gewijzigde vorm. De twee sterke inhomogene afbuigende velden werden opnieuw ingesteld om bundel deeltjes in tegengestelde richtingen af te buigen, en de veldsterkte van de tweede magneet werd ingesteld om precies ongedaan te maken wat de eerste magneet deed, dat wil zeggen om de bundel deeltjes opnieuw in de detector te richten. Als deze twee velden alleen al op de bundel zouden werken, zou het aantal gedetecteerde atomen hetzelfde zijn als wanneer er geen velden aanwezig waren, omdat het tweede veld precies de actie van het eerste veld zou compenseren. De echte nieuwigheid van dit experiment was dat het derde enkelvoudige statische t-veld werd aangevuld met een zwak-veldcomponent die loodrecht op het sterke constante homogene veld werd geplaatst en Oscillerend met een regelbare radiofrequentie. Deze oscillerende component kan de oriëntatie van de precessing atomen veranderen die overgangen veroorzaken (omslaan) van de magnetische momenten net voordat ze het tweede constante inhomogene veld betreden.
in volledige analogie met de resonantieabsorptie van zichtbaar licht, kunnen overgangen naar verschillende kwantumtoestanden optreden van het ene zeeman hyperfine niveau naar het andere als het wisselveld voldoet aan Bohr ‘ s frequentievoorwaarde voor het energieverschil tussen de twee niveaus. Echter, in plaats van optische frequenties behandelt men hier normaal gesproken frequenties in het radiobereik, omdat de verschillen tussen de energieniveaus zeer klein zijn. Elke molecule zag vele cycli van dezelfde frequentie en de waarschijnlijkheid van een overgang werd zo verbeterd. Wanneer de Larmor precessie frequentie in het statische veld overeenkomt met de frequentie van het oscillerende veld, veel atomen flip naar een andere oriëntatie en missen de detector. In dit geval registreert de detector een gemarkeerd resonantieminimum, waarbij de frequentiepositie van dit minimum wordt bepaald met de buitengewone nauwkeurigheid die met de radiofrequentiemeter kan worden bereikt. Wanneer de Larmor-frequentie niet langer resonant is met de frequentie van het oscillerende veld, worden de atomen allemaal opnieuw gericht op de detector en is het signaal weer groot.
dit was de kern van de magnetische resonantiemethode, de belangrijkste verbetering in moleculaire en atomaire straaltechnieken, die duidelijk een ongekende nauwkeurigheid bood bij het vestigen van radiorelaties met de wereld van het elektron en de atoomkern. De meest directe toepassing was het meten van nucleaire magnetische momenten. De basis hiervoor is de resonantievoorwaarde f = (µH) / Ih, waarin f de precessiefrequentie is van de as van kernspin in een magnetisch veld van sterkte H, en μ het magnetische moment van de kern is. Het getal I is het nucleaire spin-kwantumgetal, een geheel of half geheel getal, en h is Planck ‘ s constante. De frequentie van precessie, zodra deze gedetecteerd is, is gemakkelijk met hoge nauwkeurigheid te meten, en Zo kan men de hoeveelheid μ/Ih bepalen, en het magnetische moment kan worden gevonden Als de spin bekend is. Daarom, als de frequentie van het oscillerende veld langzaam wordt gevarieerd, treedt een scherpe daling (het resonantiefenomeen) op in het aantal atomen dat bij de detector aankomt wanneer de frequentie van het veld gelijk is aan de Larmor-frequentie. Elke resonantie geeft dan een waarde van de verhouding μ / Ih en dus van het magnetische moment.
de eerste kernspinresonantiecurve werd op 15 januari 1938 naar Physical Review gestuurd. De metingen aan waterstof met de resonantiemethode werden voortgezet in het late voorjaar van 1938. Zoals voorspeld, werden twee sterke resonanties waargenomen met het molecuul HD, waarvan één geassocieerd was met het proton, de andere met het deuteron. Beide resonantie-absorpties maakten het mogelijk om de magnetische momenten van zowel het proton als het deuteron met verbeterde precisie te bepalen. Nochtans, presenteerden zowel de molecules H2 als D2 een patroon van verschillende absorpties, in plaats van de enige, sterke smalle resonantie die de groep verwachtte. Een nieuw apparaat onthulde de details van het meervoudige resonantiepatroon, maar de theorie hield geen rekening met de verkregen gegevens, en Rabi realiseerde zich al snel dat dit te wijten was aan het bestaan van een andere nietsvermoedende eigenschap van het deuteron: een klein maar eindig elektrisch vierpoolmoment, dat een maat is voor de laagste-orde afwijking van een sferische ladingsverdeling. Deze verregaande ontdekking, aangekondigd in 1940, was een hele verrassing. Het verplichtte theoretici onmiddellijk afstand te doen van de centrale krachten die verondersteld werden het neutron en proton samen te binden en toe te geven dat nucleaire krachten veel complexer zijn dan de eerste nucleaire modellen van de vroege jaren 1930 hadden aangenomen.Na het gat in de jaarlijkse opeenvolging van Nobelprijzen, als gevolg van de Tweede Wereldoorlog, was het pas in de herfst van 1944 dat de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen aankondigde dat de prijs voor 1943 zou worden toegekend aan Otto Stern, “voor zijn bijdrage aan de ontwikkeling van de moleculaire straalmethode en zijn ontdekking van het magnetische moment van het proton”, en dat Voor 1944 aan Isidor Rabi, “voor zijn resonantiemethode voor het vastleggen van de magnetische eigenschappen van atoomkernen”.Na de Tweede Wereldoorlog werd nuclear magnetic resonance (NMR) een werkpaard voor fysische en chemische analyse. Nog later werd Rabi ‘ s ontdekking uitgebreid naar Magnetic Resonance Imaging (MRI), een krachtig medisch diagnostisch hulpmiddel, dat nu wordt gebruikt in medische centra over de hele wereld. In de daaropvolgende decennia is de moleculaire straalmethode algemeen overgenomen door de fysica en fysische chemie gemeenschappen wereldwijd, en ongeveer 20 Nobelprijzen werden toegekend voor werk gebaseerd op de moleculaire straalmethode; onder hen waren Kusch en Ramsey, twee van Rabi ‘ s voormalige medewerkers.
Bibliography
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi and CERN. Fysica in perspectief 7: 150-164
Rabi, I. I., Interview door Thomas S. Kuhn, 8 December 1963. Niels Bohr Library \ & Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
rigen, J. S. (1983) Molecular Beam Experiments on the Hydrogens during the 1930. Historical Studies in the Physical Sciences 13(2): 335-373
rigen, J. S. (2008) Rabi, Isidor Isaac. In Complete Dictionary of Scientific Biography. Vol. 24. Detroit: Charles Scribner ‘ s Sons, Detroit. pp. 191-197. Gale Virtual Reference Library
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): De grondlegger van de experimentele atoomfysica. Annalen der Physik 523 (12): 1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, I. I. In Nobel Prize Winners, H. W. Wilson Company, New York, blz. 847-849