por Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Premio Nobel de Física 1944
«por su método de resonancia para registrar las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos».
Como enfatizó Norman Ramsey, uno de los biógrafos de Isidor Rabi, «Algunos científicos hacen su mayor contribución a través de su propia investigación personal, mientras que otros son mejor recordados por su sabiduría general y su influencia en los demás. Algunos, incluido Rabi, sobresalen en ambos aspectos.»En realidad, sería reductor hablar de los importantes descubrimientos de Rabi, que condujeron a su Premio Nobel en 1944, sin mencionar cómo su influencia se extendió mucho más allá de su propio laboratorio y cómo, bajo su liderazgo visionario como estadista de la ciencia, se realizaron muchas empresas exitosas en cooperación nacional e internacional en ciencia. En particular, fue uno de los fundadores del Laboratorio Nacional Brookhaven y uno de los principales promotores del laboratorio del CERN. Su gran reputación y sus contactos con los principales físicos, así como con los líderes gubernamentales de las Naciones Unidas, se convirtieron en herramientas valiosas cuando se convirtió en portavoz del uso pacífico de la energía nuclear.
Convirtiéndose en un experto en teoría cuántica
Isidor Isaac Rabi nació en Rymanow, Austria-Hungría, en 1898, a finales del siglo XIX, cuando se descubrieron los rayos X, la radiactividad y el electrón. Al año siguiente, sus padres se mudaron a la ciudad de Nueva York, donde asistió a la escuela pública, pero obtuvo gran parte de su educación e interés en la ciencia a través de libros prestados de la biblioteca pública. En 1916, después de graduarse de la escuela secundaria, Rabi entró en la Universidad de Cornell con una beca, comenzando en ingeniería eléctrica, pero graduándose en el campo de la química. Después de tres años lejos de la universidad, regresó primero a Cornell, para hacer un trabajo de posgrado en química, y un año más tarde se trasladó a la Universidad de Columbia y se dedicó a la física.
En 1923, cuando Rabi estaba comenzando sus estudios de física, descubrió que su verdadero interés era la teoría cuántica. Sin embargo, ningún profesor de física en Columbia estaba realmente familiarizado con tales novedades procedentes de Europa y tuvo que elegir un tema de disertación que involucrara la medición de la susceptibilidad magnética de una serie de sales cristalinas. Mientras tanto, organizó un grupo de estudio de compañeros de estudios para lidiar con la mecánica cuántica. En julio de 1927, Rabi presentó su tesis doctoral a la revista Physical Review, y al día siguiente se casó con Helen Newmark. Poco después, como muchos otros jóvenes físicos estadounidenses, se fue de viaje a Europa para tener una visión más cercana de los pioneros de la nueva mecánica cuántica.
Una Gira Europea por los Centros de Mecánica Cuántica
Durante los primeros meses, Rabi visitó a Erwin Schrödinger en Zúrich, Arnold Sommerfeld en Múnich y Niels Bohr en Copenhague. Este último arregló que Rabi se quedara en Hamburgo, con Wolfgang Pauli, quien en ese momento era colaborador de Otto Stern, uno de los padres fundadores de la física atómica experimental sin incluir la espectroscopia. A finales de octubre, Rabi llegó allí con Yoshio Nishina, que estaba visitando Europa desde Japón. Rabi conocía bien el experimento Stern-Gerlach de 1922, que había resultado ser uno de los hitos en el camino hacia la física cuántica moderna. Al establecer este experimento, Stern se guió por la extensión de Sommerfeld de la teoría del átomo de Bohr, una extensión presentada independientemente por Peter Debye, en la que, además de los números cuánticos habituales para el tamaño y la forma de las órbitas, se propuso una cuantificación de la orientación espacial de las órbitas de electrones «keplerianos» alrededor del núcleo, una propuesta conocida como cuantización espacial. Debido al movimiento orbital de un solo electrón, un átomo puede poseer un momento magnético que determina su interacción con campos eléctricos y magnéticos externos. La cuantificación espacial solo permitía orientaciones discretas seleccionadas de cada imán atómico en relación con la dirección de un campo magnético aplicado externamente. En el experimento Stern-Gerlach, un haz colimado de átomos de plata, todos con el mismo momento magnético, que fluye desde un pequeño orificio de un horno calentado y se mueve con velocidades térmicas, pasó a través de un fuerte campo magnético no uniforme. En su trayectoria entre el horno y el detector, el campo magnético ejercerá un par en el dipolo magnético, que por lo tanto precesará sobre la dirección del campo magnético. El campo no uniforme también ejercerá sobre el momento magnético una fuerza transversal, cuya magnitud y dirección dependen de la orientación del momento magnético del átomo en relación con la dirección del campo magnético aplicado externamente. El componente del momento magnético paralelo a la dirección del campo no se verá afectado.
La imagen clásica no incluye ninguna restricción sobre el ángulo en el que el imán atómico puede preceder sobre el campo magnético. La expectativa es que, debido a los efectos térmicos en el horno, los momentos dipolares magnéticos de los átomos se orientarán aleatoriamente en el espacio con respecto a la dirección del campo. Las direcciones de movimiento de los átomos en el haz inicial se desplazarían por cantidades aleatorias perpendiculares a la dirección de movimiento del haz inicial. Por lo tanto, debería producirse una gradación continua de las deflexiones, y el haz transmitido simplemente se extendería como un ventilador.
En realidad, Stern y Gerlach encontraron que en la placa del detector de vidrio frío el haz padre se dividió en dos partes distintas, sin rastro de átomos de plata en la región central, donde uno esperaría que los átomos no se filtraran, lo que implica que, en el caso de los átomos de plata, solo se permiten dos orientaciones distintas con respecto a la dirección del campo magnético. Stern y Gerlach consideraron su resultado como una refutación decisiva de la teoría clásica, refutando la teoría clásica de Larmor, que se basaba en valores continuos para la dirección de los momentos magnéticos. Pero al mismo tiempo, erróneamente consideraron el fenómeno como una confirmación de la antigua teoría cuántica, según la cual el momento magnético del átomo de plata se debía al momento angular orbital de los electrones.
Sin saberlo, en realidad habían sido los primeros en observar la cuantificación del momento magnético asociado con el espín del electrón, porque sus átomos de plata estaban en realidad en el estado fundamental, con un momento magnético orbital total igual a cero, de modo que el momento dipolar magnético del átomo se debió enteramente al espín del electrón, un nuevo número cuántico que sería introducido en 1925 por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit.
El experimento Stern-Gerlach, un triunfo temprano del método de haz molecular, que ofrece evidencia distinta a la espectroscópica de que los objetos cuánticos exhiben un comportamiento incompatible con la física clásica, había asombrado e intrigado a Rabi como estudiante, cuando todavía era escéptico sobre la teoría cuántica. Se convenció de que el sistema de ideas subyacente al átomo de Bohr y los intentos de extender estas ideas a otros fenómenos atómicos estaban bien fundados y comenzó a estudiar y discutir con sus amigos todos los documentos que se incorporarían gradualmente a la estructura formal de la nueva mecánica cuántica.
Mientras trabajaba con Nishina y Pauli en el trabajo teórico, pasó algún tiempo en el laboratorio de Stern y llevó a cabo con éxito lo que se convirtió en su primer experimento de haz molecular. La configuración del campo magnético que diseñó para desviar las partículas del haz se conoció como el campo Rabi. El trabajo de Rabi en el laboratorio de Stern fue decisivo para dirigir su interés hacia la investigación de haces moleculares.
Después de Hamburgo, Rabi fue a Leipzig para trabajar con Werner Heisenberg, pero mientras tanto Pauli dejó Hamburgo para una silla en Zúrich y en marzo de 1929 Rabi y Robert Oppenheimer, a quien había conocido por primera vez en Leipzig, lo siguieron a Zúrich. Una vez más, fue una ocasión maravillosa de familiarizarse con algunas de las mejores mentes de la física, pero su estancia en Zurich terminó cuando, a finales de marzo, Rabi recibió un cable de la Universidad de Columbia, ofreciéndole una cátedra en el departamento de física. Estaban buscando un físico teórico, que pudiera enseñar la nueva mecánica cuántica y el propio Heisenberg, durante una visita a Columbia, había recomendado encarecidamente a Rabi para tal puesto. Aceptó rápidamente, y el 1 de agosto de 1929, abandonó Europa con su joven esposa. Su aprendizaje científico había terminado, había desarrollado una nueva conciencia y conocimiento de la física en las mismas fuentes de la nueva mecánica cuántica.
Haces Moleculares para Sondear el Núcleo
Rabi dedicó su primer año en Columbia como profesor exclusivamente al arduo esfuerzo de enseñar los cursos más avanzados del departamento. Así comenzó su influencia penetrante en la física estadounidense. Durante los dos años siguientes realizó investigaciones teóricas en física de estado sólido, pero sus pensamientos se dirigieron muy a menudo a los haces moleculares.
En 1931, Harold Urey, colega de Rabi en Columbia, estaba tratando de determinar el espín nuclear del sodio mediante un análisis de su espectro, con resultados no concluyentes. En ese momento, su larga participación en la investigación de isótopos lo inspiraba a buscar deuterio, el isótopo hidrógeno-2, cuya existencia anunció en la Revista Física el día de Año Nuevo de 1932. Por este descubrimiento, Urey recibió el Premio Nobel de Química en 1934. Solo siete semanas después, James Chadwick anunció la «posible existencia de un neutrón», un descubrimiento fundamental que abrió oficialmente la era nuclear.
Sin embargo, en 1931 el neutrón aún no estaba allí y el núcleo atómico seguía siendo una terra incognita, un territorio inexplorado que pronto se convertiría en el dominio de la aventura científica de Rabi. Rabi vio que la técnica de haz molecular podría usarse para abordar el desafío que ofrece la incertidumbre relacionada con el espín nuclear del sodio. Podría proporcionar acceso a cuestiones fundamentales relacionadas tanto con el mundo cuántico como con el ámbito nuclear. Rabi quería medir el momento magnético de un núcleo de la misma manera que Stern había medido el momento magnético de un átomo de plata. Sin embargo, se requirieron muchos refinamientos para transformar el experimento básico Stern-Gerlach en una técnica que pudiera usarse para mediciones cuantitativas.
En principio, las propiedades magnéticas nucleares se podían determinar a través del análisis de espectros atómicos, pero debido al tamaño diminuto de los momentos nucleares, tres órdenes de magnitud más pequeños que sus contrapartes electrónicas, las técnicas experimentales se tensaron al límite y fue bastante difícil obtener este tipo de información a través de la espectroscopia. La aplicación de un experimento del tipo Stern-Gerlach a la medición de las propiedades magnéticas nucleares proporcionaría un control independiente de los difíciles métodos espectroscópicos y, al mismo tiempo, proporcionaría acceso a datos nucleares que de otro modo no estarían disponibles.
Con Gregory Breit, su colega de la Universidad de Nueva York, Rabi había organizado un seminario conjunto para explorar y discutir los fenómenos atómico-nucleares. En 1931, desarrollaron una fórmula que mostraba la variación del momento magnético de un átomo para los diferentes niveles de Zeeman de estructura hiperfina bajo la influencia de un campo magnético externo. Por lo tanto, el método de haz podría usarse para investigar las propiedades magnéticas nucleares de los átomos.
Con Victor Cohen, su primer estudiante graduado, Rabi comenzó su trabajo experimental pionero en la medición precisa de las propiedades nucleares, que lo llevó a la vanguardia de la física nuclear durante la década siguiente. Al variar los campos de desviación a lo largo de la trayectoria atravesada por los átomos de sodio, el haz se dividió en haces individuales en cada uno de los cuales los átomos de sodio estaban en el mismo estado cuántico hiperfino. El número total de beamlets dependía del espín nuclear del sodio, por lo tanto, todo lo que tenían que hacer era contar el número de beamlets observados en el detector. De esto pudieron inferir que el espín nuclear del sodio es 3/2, pero durante muchos meses no comunicaron sus hallazgos, y los primeros resultados experimentales se publicaron solo en marzo de 1933.
En el mismo año de 1933, Stern y su grupo habían medido el momento magnético del protón, que se encontró que era aproximadamente 2,8 veces más grande de lo que la teoría de Paul Dirac de 1928 parecía predecir. Este resultado inesperado fue de hecho un descubrimiento importante. El descubrimiento del espín del electrón había sido de primera importancia para obtener una comprensión de la estructura atómica. Del mismo modo, se esperaba que el conocimiento del momento magnético del protón desempeñara un papel similar en el campo de la estructura nuclear.
El carácter fundamental de las mediciones de Stern y sus colaboradores llevó a Rabi a establecer su propio experimento para medir el momento magnético del protón, así como del deuterón. Con dos becarios posdoctorales, J. M. B. Kellog y Jerrold R. Zacharias, Rabi comenzó rápidamente a establecer un experimento en la Universidad de Columbia para medir el momento magnético del protón, aplicando la teoría Breit-Rabi.
Los resultados publicados en 1934 indicaron un valor aún mayor que el sorprendente resultado de Stern. Otros intentos realizados en 1936 utilizaron un nuevo método con dos imanes de desviación que cada partícula de haz pasaba secuencialmente. Después de ser desviados en el primer campo magnético no homogéneo, los átomos rápidos y lentos serían reenfocados en el detector por el segundo campo no homogéneo, evitando complicaciones asociadas con las velocidades distribuidas de las partículas del haz. Entre los dos imanes desviadores había un nuevo campo estático en forma de T. Los haces que atravesaban el campo estático veían el equivalente de un campo magnético giratorio u oscilante, que ejercía una fuerza de inclinación en el momento magnético haciéndole girar de una orientación a otra cuando el campo aparente tenía una velocidad angular aproximadamente igual a la frecuencia de precesión Larmor del momento magnético alrededor del campo magnético. El estudio de estas transiciones estimuladas entre estados magnéticos del átomo de hidrógeno permitió, por primera vez, determinar que los momentos magnéticos del protón y el deuterón son positivos. El efecto de esta nueva disposición fue que mejoró en gran medida los resultados experimentales, reduciendo la incertidumbre en el valor medido del momento magnético del protón de 10 por ciento a 5 por ciento y 4 por ciento en lugar de 26 por ciento para el deuterón. Pero estos resultados no solo proporcionaron mejores valores y los signos del momento, sino también el momento magnético del neutrón.
El Método de Resonancia Magnética
A lo largo de la mayor parte de la década de 1930 Rabi y sus colaboradores, que en este momento incluían también a Polykarp Kusch, Sydney Millmann y Norman Ramsey, continuaron investigando los dos primeros isótopos del átomo de hidrógeno. En la planificación de un tercer experimento, se diseñó un aparato muy similar al utilizado en el experimento anterior, pero en una forma algo modificada. Los dos campos de desviación no homogéneos fuertes se configuraron de nuevo para desviar partículas de haz en direcciones opuestas, y la intensidad de campo del segundo imán se configuró para deshacer exactamente lo que hizo el primer imán, es decir, para reenfocar las partículas de haz en el detector. Si estos dos campos actuaran solos sobre el haz, el número de átomos detectados sería el mismo que si no hubiera campos presentes, porque el segundo campo compensaría exactamente la acción del primer campo.
La verdadera novedad de este experimento fue que el tercer campo T estático simple se complementó con un componente de campo débil superpuesto en ángulo recto al campo homogéneo constante fuerte y oscilante a una frecuencia de radio ajustable. Este componente oscilatorio podría cambiar la orientación de los átomos de procesamiento que inducen transiciones (volteo) de los momentos magnéticos justo antes de que entren en el segundo campo constante no homogéneo.
En completa analogía con la absorción de resonancia de la luz visible, las transiciones a diferentes estados cuánticos podrían ocurrir de un nivel hiperfino de Zeeman a otro si el campo alterno satisfacía la condición de frecuencia de Bohr para la diferencia de energía entre los dos niveles. Sin embargo, en lugar de frecuencias ópticas, aquí se trata normalmente de frecuencias en el rango de radio, porque las diferencias entre los niveles de energía son muy pequeñas. Cada molécula vio muchos ciclos de la misma frecuencia y la probabilidad de una transición se incrementó. Cuando la frecuencia de precesión de Larmor en el campo estático coincide con la frecuencia del campo oscilante, muchos átomos giran a otra orientación y pierden el detector. En este caso, el detector registra un mínimo de resonancia marcado, determinándose la posición de frecuencia de este mínimo con la extraordinaria precisión alcanzable con el medidor de radiofrecuencia. Cuando la frecuencia Larmor ya no está en resonancia con la frecuencia del campo oscilante, todos los átomos se vuelven a enfocar en el detector, y la señal vuelve a ser grande.
Este fue el núcleo del método de resonancia magnética, la mejora más significativa en las técnicas de haz molecular y atómico, que claramente ofreció una precisión sin precedentes en el establecimiento de relaciones de radio con el mundo del electrón y del núcleo atómico. Su aplicación más directa fue la medición de momentos magnéticos nucleares. La base para esto es la condición de resonancia f=(µH)/Ih, en la que f es la frecuencia de precesión del eje de espín nuclear en un campo magnético de fuerza H, y μ es el momento magnético del núcleo. El número I es el número cuántico de espín nuclear, un entero o medio entero, y h es la constante de Planck. La frecuencia de precesión, una vez que se detecta, se mide fácilmente con alta precisión, y por lo tanto se puede determinar la cantidad μ/Ih, y el momento magnético se puede encontrar si se conoce el espín. Por lo tanto, si la frecuencia del campo oscilante varía lentamente, se produce una disminución brusca (el fenómeno de resonancia) en el número de átomos que llegan al detector cuando la frecuencia del campo es igual a la frecuencia Larmor. Cada resonancia da entonces un valor de la relación μ / Ih y, por lo tanto, del momento magnético.
La primera curva de resonancia magnética nuclear fue enviada a Revisión Física el 15 de enero de 1938. Las mediciones de hidrógeno con el método de resonancia continuaron a finales de la primavera de 1938. Como se predijo, se observaron dos resonancias fuertes con la molécula HD, una de las cuales estaba asociada con el protón y la otra con el deuterón. Ambas absorciones de resonancia permitieron determinar los momentos magnéticos tanto del protón como del deuterón con mayor precisión. Sin embargo, tanto las moléculas H2 como D2 presentaban un patrón de diferentes absorciones, en lugar de la resonancia estrecha y fuerte única que el grupo esperaba. Un nuevo aparato reveló los detalles del patrón de resonancia múltiple, pero la teoría no tuvo en cuenta los datos obtenidos, y Rabi pronto se dio cuenta de que esto podría deberse a la existencia de otra propiedad insospechada del deuterón: un momento cuadrupolar eléctrico pequeño pero finito, que es una medida de desviación de orden más bajo de una distribución de carga esférica. Este descubrimiento de gran alcance, anunciado en 1940, fue toda una sorpresa. Inmediatamente obligó a los teóricos a renunciar a las fuerzas centrales asumidas para unir los neutrones y los protones y a admitir que las fuerzas nucleares son mucho más complejas de lo que los primeros modelos nucleares de principios de la década de 1930 habían asumido.
Después de la brecha en la sucesión anual de Premios Nobel, debido a la Segunda Guerra Mundial, no fue hasta el otoño de 1944 que la Real Academia Sueca de Ciencias anunció que para 1943 el premio se otorgaría a Otto Stern, «por su contribución al desarrollo del método de rayos moleculares y su descubrimiento del momento magnético del protón», y que para 1944 a Isidor Rabi, «por su método de resonancia para registrar las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos».
Después de la Segunda Guerra Mundial, la resonancia magnética nuclear (RMN) se convirtió en un caballo de batalla para el análisis físico y químico. Aún más tarde, el descubrimiento de Rabi se extendió a la imagen por Resonancia Magnética (RM), una poderosa herramienta de diagnóstico médico, que ahora se usa en centros médicos de todo el mundo. En décadas posteriores, el método de haz molecular ha sido ampliamente adoptado por las comunidades de física y química física de todo el mundo, y se otorgaron alrededor de 20 Premios Nobel por trabajo basado en el método de haz molecular; entre ellos estaban Kusch y Ramsey, dos de los antiguos colaboradores de Rabi.
Bibliografía
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