Autor: Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 1944
„za metodę rezonansu do rejestrowania właściwości magnetycznych jąder atomowych”.
jak podkreślił Norman Ramsey, jeden z biografów Isidora Rabi, ” niektórzy naukowcy wnoszą swój największy wkład poprzez własne osobiste badania, podczas gdy inni są najlepiej pamiętani za ich ogólną mądrość i wpływ na innych. Kilka, w tym Rabi, wyróżnia się w obu aspektach.”Można by mówić o ważnych odkryciach Rabiego, które doprowadziły do przyznania mu Nagrody Nobla w 1944 r., nie wspominając o tym, jak jego wpływ wykraczał daleko poza jego własne laboratorium i jak pod jego wizjonerskim przywództwem jako męża stanu nauki zrealizowano wiele udanych przedsięwzięć w zakresie krajowej i międzynarodowej współpracy naukowej. W szczególności był jednym z założycieli Brookhaven National Laboratory i głównym promotorem laboratorium CERN. Jego wielka reputacja i kontakty z czołowymi fizykami, a także z przywódcami rządu ONZ, stały się cennymi narzędziami, gdy został rzecznikiem pokojowego wykorzystania energii jądrowej.
Izydor Isaac Rabi urodził się w Rymanowie w Austro-Węgrzech w 1898 roku, pod koniec XIX wieku, kiedy odkryto promieniowanie rentgenowskie, radioaktywność i elektron. W następnym roku jego rodzice przenieśli się do Nowego Jorku, gdzie uczęszczał do szkoły publicznej, ale większość jego edukacji i zainteresowania nauką zdobył dzięki książkom wypożyczonym z Biblioteki Publicznej. W 1916, po ukończeniu szkoły średniej, Rabi wstąpił na Cornell University ze stypendium, zaczynając od elektrotechniki, ale kończąc w dziedzinie chemii. Po trzech latach z dala od Uniwersytetu, wrócił najpierw do Cornell, aby podjąć pracę dyplomową z chemii, przenosząc się rok później na Columbia University i przechodząc na fizykę.
w 1923 roku, kiedy Rabi zaczynał studia z fizyki, odkrył, że jego prawdziwym zainteresowaniem jest teoria kwantowa. Jednak żaden profesor fizyki na Columbii nie był naprawdę obeznany z takimi nowościami pochodzącymi z Europy i musiał wybrać temat dysertacji, który obejmował pomiar podatności magnetycznej szeregu krystalicznych soli. W międzyczasie zorganizował grupę studentów, aby zająć się mechaniką kwantową. W lipcu 1927 r. Rabi przedłożył pracę doktorską do czasopisma „Physical Review”, a następnego dnia ożenił się z Helen Newmark. Wkrótce potem, podobnie jak wielu innych Młodych Fizyków z USA, udał się na stypendium podróżnicze do Europy, aby przyjrzeć się bliżej pionierom nowej mechaniki kwantowej.
europejska trasa po centrach mechaniki kwantowej
w pierwszych miesiącach Rabi odwiedził Erwina Schrödingera w Zurychu, Arnolda Sommerfelda w Monachium i Nielsa Bohra w Kopenhadze. Ten ostatni zaaranżował pobyt Rabi ’ ego w Hamburgu z Wolfgangiem Pauli, który w tym czasie był współpracownikiem Otto Sterna, jednego z ojców-założycieli eksperymentalnej fizyki atomowej, nie licząc spektroskopii. Pod koniec października przybył tam Rabi z Yoshio Nishiną, który odwiedził Europę z Japonii. Rabi dobrze znał eksperyment Sterna-Gerlacha z 1922 roku, który okazał się jednym z kamieni milowych na drodze do nowoczesnej fizyki kwantowej. Podczas tworzenia tego eksperymentu Stern kierował się rozszerzeniem przez Sommerfelda teorii Bohra atomu – rozszerzeniem niezależnie wysuniętym przez Petera Debye – a-w którym, oprócz zwykłych liczb kwantowych dla wielkości i kształtu Orbit, zaproponowano kwantyzację orientacji przestrzennej „keplerowskich” Orbit elektronów wokół jądra, propozycję określaną jako kwantyzacja przestrzeni. Ze względu na ruch orbitalny pojedynczego elektronu, atom może posiadać moment magnetyczny, który decyduje o jego oddziaływaniu z zewnętrznymi polami elektrycznymi i magnetycznymi. Kwantyzacja przestrzenna pozwalała jedynie na wybrane dyskretne orientacje każdego magnesu atomowego względem kierunku przyłożonego zewnętrznie pola magnetycznego. W eksperymencie Sterna-Gerlacha kolimowana wiązka atomów srebra, Wszystkie o tym samym momencie magnetycznym, wypływająca z maleńkiego otworu rozgrzanego pieca i poruszająca się z prędkościami termicznymi, przeszła przez silne niejednorodne pole magnetyczne. Na swojej drodze między piecem a detektorem pole magnetyczne wywiera moment obrotowy na dipol magnetyczny, który w ten sposób będzie poprzedzał kierunek pola magnetycznego. Niejednorodne pole będzie również wywierać na moment magnetyczny siłę poprzeczną, której wielkość i kierunek zależą od orientacji momentu magnetycznego atomu w stosunku do kierunku przyłożonego zewnętrznie pola magnetycznego. Składowa momentu magnetycznego równoległa do kierunku pola nie zostanie naruszona.
klasyczny obraz nie zawiera żadnych ograniczeń co do kąta, pod jakim magnes atomowy może wyprzedzać pole magnetyczne. Oczekuje się, że ze względu na efekty termiczne w piecu, magnetyczne momenty dipolowe atomów będą losowo zorientowane w przestrzeni w odniesieniu do kierunku pola. Kierunki ruchu atomów w wiązce początkowej będą przemieszczane przez losowe ilości prostopadłe do kierunku ruchu wiązki początkowej. W ten sposób powinna nastąpić ciągła gradacja ugięć, a przekazywana wiązka rozchodziłaby się jak wentylator.
w rzeczywistości Stern i Gerlach odkryli, że na zimnej szklanej płytce detektora wiązka macierzysta podzieliła się na dwie odrębne części-bez śladu atomów srebra w Regionie Centralnym, gdzie można by się spodziewać atomów niezbadanych – co sugeruje, że w przypadku atomów srebra dozwolone są tylko dwie różne orientacje w odniesieniu do kierunku pola magnetycznego. Stern i Gerlach uznali więc ich wynik za zdecydowane obalenie teorii klasycznej, obalając klasyczną teorię Larmora, która opierała się na wartościach ciągłych dla kierunku momentów magnetycznych. Ale jednocześnie błędnie uznali to zjawisko za potwierdzenie starej teorii kwantowej, zgodnie z którą moment magnetyczny atomu srebra był spowodowany orbitalnym momentem kątowym elektronów.
nieświadomie, byli oni pierwszymi, którzy zaobserwowali kwantyzację momentu magnetycznego związanego ze spinem elektronu, ponieważ ich Atomy srebra były w rzeczywistości w stanie podstawowym, z całkowitym orbitalnym momentem magnetycznym równym zero, tak że magnetyczny moment dipolowy atomu był w całości spowodowany spinem elektronu, nową liczbą kwantową, która została wprowadzona w 1925 roku przez George ’ a Uhlenbecka i Samuela Goudsmita.
eksperyment Sterna-Gerlacha, wczesny triumf metody wiązki molekularnej, oferujący inne niż spektroskopowe dowody na to, że obiekty kwantowe wykazują zachowanie niezgodne z klasyczną fizyką, oszołomił i zaintrygował Rabiego jako studenta, kiedy był jeszcze sceptyczny wobec teorii kwantowej. Stał się przekonany, że system idei leżących u podstaw atomu Bohra i próby rozszerzenia tych idei na inne zjawiska atomowe były dobrze uzasadnione i zaczął studiować i dyskutować z przyjaciółmi wszystkie dokumenty, które będą stopniowo włączone do formalnej struktury nowej mechaniki kwantowej.
pracując z Nishiną i Pauli nad pracami teoretycznymi, spędził trochę czasu w laboratorium Sterna i przeprowadził z powodzeniem, co stało się jego pierwszym eksperymentem z wiązką molekularną. Konfiguracja pola magnetycznego, którą zaprojektował, aby odchylać cząstki wiązki, stała się znana jako pole Rabi. Praca Rabi ’ ego w laboratorium Sterna była decydująca dla skierowania jego zainteresowania w kierunku badań wiązek molekularnych.
po Hamburgu Rabi udał się do Lipska, aby pracować z Wernerem Heisenbergiem, ale w międzyczasie Pauli wyjechał z Hamburga na katedrę w Zurychu, a w marcu 1929 roku Rabi i Robert Oppenheimer, których spotkał po raz pierwszy w Lipsku, pojechali za nim do Zurychu. Po raz kolejny była to wspaniała okazja do zapoznania się z jednymi z najlepszych umysłów w fizyce, ale jego pobyt w Zurychu zakończył się, gdy pod koniec marca Rabi otrzymał telegram z Uniwersytetu Columbia, oferując mu wykłady na Wydziale Fizyki. Szukali fizyka teoretycznego, który mógłby uczyć nowej mechaniki kwantowej, a sam Heisenberg, podczas wizyty w Kolumbii, zdecydowanie polecił Rabi na takie stanowisko. Szybko się zgodził i 1 sierpnia 1929 opuścił Europę wraz z młodą żoną. Jego nauka zakończyła się, rozwinął nową świadomość i wiedzę z fizyki u samych źródeł nowej mechaniki kwantowej.
wiązki molekularne do badania Jądra
Rabi poświęcił swój pierwszy rok na Columbii jako wykładowca wyłącznie do intensywnego wysiłku nauczania najbardziej zaawansowanych kursów na Wydziale. W ten sposób rozpoczął swój wszechobecny wpływ na amerykańską fizykę. W ciągu następnych dwóch lat prowadził teoretyczne badania w fizyce ciał stałych, ale jego myśli były bardzo często skierowane na wiązki molekularne.
w 1931 roku Harold Urey, kolega Rabiego z Columbii, próbował określić Spin jądrowy sodu poprzez analizę jego widma, z niejednoznacznymi wynikami. W tym czasie jego wieloletnie zaangażowanie w badania izotopów zainspirowało go do poszukiwania deuteru, izotopu wodoru-2, którego istnienie ogłosił w przeglądzie fizycznym w Nowy rok 1932. Za to odkrycie Urey otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1934 roku. Zaledwie siedem tygodni później James Chadwick ogłosił „możliwe istnienie neutronu”, fundamentalne odkrycie, które oficjalnie otworzyło erę nuklearną.
jednak w 1931 roku neutronu jeszcze nie było, a jądro atomowe nadal było terra incognita, niezbadanym terytorium, które wkrótce stało się domeną naukowej przygody Rabiego. Rabi zauważył, że technika wiązki molekularnej może być wykorzystana do rozwiązania wyzwania, jakie stwarza niepewność związana z jądrowym spinem sodu. Może to zapewnić dostęp do podstawowych pytań związanych zarówno ze światem kwantowym, jak i z Królestwem jądrowym. Rabi chciał zmierzyć magnetyczny moment jądra w sposób, w jaki Stern mierzył magnetyczny moment atomu srebra. Konieczne było jednak wiele udoskonaleń, aby przekształcić podstawowy eksperyment Sterna-Gerlacha w technikę, która mogłaby być wykorzystana do pomiarów ilościowych.
zasadniczo właściwości magnetyczne jądrowe można było określić poprzez analizę widm atomowych, ale ze względu na wielkość minutową momentów jądrowych – trzy rzędy wielkości mniejsze niż ich elektroniczne odpowiedniki-techniki eksperymentalne były napięte do granic możliwości i dość trudno było uzyskać tego rodzaju informacje za pomocą spektroskopii. Zastosowanie eksperymentu typu Stern-Gerlach do pomiaru magnetycznych właściwości jądrowych zapewniłoby niezależną kontrolę trudnych metod spektroskopowych, a jednocześnie zapewniłoby dostęp do danych jądrowych, które w innym przypadku były niedostępne.
wraz z Grzegorzem breitem, jego kolegą z New York University, Rabi założył wspólne seminarium w celu zbadania i omówienia zjawisk atomowo-jądrowych. W 1931 roku opracowali wzór, który wykazał zmienność momentu magnetycznego atomu dla różnych poziomów struktury hiperfinowej Zeemana pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Metoda wiązki może być zatem wykorzystana do badania magnetycznych właściwości atomów.
wraz z Victorem Cohenem, jego pierwszym absolwentem, Rabi rozpoczął pionierskie prace eksperymentalne nad precyzyjnym pomiarem właściwości jądrowych, które doprowadziły go do czołówki fizyki jądrowej w następnej dekadzie. Zmieniając pola odchylające wzdłuż ścieżki przechodzącej przez atomy sodu, wiązka została podzielona na poszczególne wiązki, w których atomy sodu znajdowały się w tym samym hiperfinalnym stanie kwantowym. Całkowita liczba wiązek zależała od spinu jądrowego sodu, dlatego wystarczyło policzyć liczbę wiązek obserwowanych w detektorze. Na tej podstawie mogli wywnioskować, że spin jądrowy sodu wynosi 3/2, ale przez wiele miesięcy nie przekazywali swoich ustaleń, a pierwsze wyniki eksperymentów opublikowano dopiero w marcu 1933 roku.
w tym samym roku 1933 Stern i jego grupa zmierzyli moment magnetyczny protonu, który okazał się być około 2,8 razy większy niż teoria Paula Diraca z 1928 roku. Ten nieoczekiwany rezultat był w rzeczywistości wielkim odkryciem. Odkrycie spinu elektronu miało pierwsze znaczenie w zrozumieniu struktury atomowej. Podobnie spodziewano się, że znajomość momentu magnetycznego protonu odegra podobną rolę w dziedzinie struktury jądrowej.
fundamentalny charakter pomiarów Sterna i jego współpracowników skłonił Rabiego do zorganizowania własnego eksperymentu do pomiaru momentu magnetycznego protonu – jak również deuteronu. Wraz z dwoma doktorantami, J. M. B. Kellogiem i Jerrold R. Zachariasem, Rabi szybko rozpoczął eksperyment na Uniwersytecie Columbia, aby zmierzyć moment magnetyczny protonu, stosując teorię Breit-Rabi.
wyniki opublikowane w 1934 roku wskazywały na jeszcze większą wartość niż zaskakujący wynik Sterna. Kolejne próby przeprowadzone w 1936 roku wykorzystywały nową metodę z dwoma magnesami odchylającymi, które każda cząstka wiązki przekazywała sekwencyjnie. Po odchyleniu w pierwszym niejednorodnym polu magnetycznym, zarówno szybkie, jak i wolne Atomy byłyby ponownie skupione w detektorze przez drugie niejednorodne pole, unikając komplikacji związanych z rozproszonymi prędkościami cząstek wiązki. Pomiędzy dwoma magnesami odchylającymi znajdowało się nowe statyczne pole w kształcie litery T. Wiązki przechodzące przez pole statyczne widziały odpowiednik obracającego się lub oscylującego pola magnetycznego, które wywierało siłę wywracającą na moment magnetyczny, powodując jego odwrócenie z jednej orientacji na drugą, gdy pole pozorne miało prędkość kątową w przybliżeniu równą częstotliwości precesji momentu magnetycznego wokół pola magnetycznego. Badanie tych stymulowanych przejść między Stanami magnetycznymi atomu wodoru pozwoliło po raz pierwszy ustalić, że momenty magnetyczne protonu i deuteronu są dodatnie. Efektem tego nowego układu było to, że znacznie poprawiło wyniki eksperymentów, zmniejszając niepewność zmierzonej wartości momentu magnetycznego protonu z 10% do 5% i 4% zamiast 26% dla deuteronu. Ale nie tylko te wyniki dostarczyły lepszych wartości i znaków momentu, ale także magnetycznego momentu neutronu.
metoda rezonansu magnetycznego
przez większość lat 30. XX wieku Rabi i jego współpracownicy, w tym czasie także Polykarp Kusch, Sydney Millmann i Norman Ramsey, kontynuowali badania dwóch pierwszych izotopów atomu wodoru. W planowaniu trzeciego eksperymentu zaprojektowano urządzenie bardzo podobne do używanego w poprzednim eksperymencie, ale w nieco zmodyfikowanej formie. Dwa silne niejednorodne pola odchylające zostały ponownie ustawione w celu odchylania cząstek wiązki w przeciwnych kierunkach, a siła pola drugiego magnesu została ustawiona tak, aby dokładnie cofnąć to, co zrobił pierwszy magnes, czyli ponownie skupić cząstki wiązki w detektorze. Gdyby tylko te dwa pola działały na wiązkę, liczba wykrytych atomów byłaby taka sama, jak gdyby pola nie było, ponieważ drugie pole kompensowałoby dokładnie działanie pierwszego pola.
prawdziwą nowością tego eksperymentu było to, że trzecie proste statyczne pole T zostało uzupełnione przez słaby Składnik pola nałożony pod kątem prostym do silnego stałego jednorodnego pola i oscylujący z regulowaną częstotliwością radiową. Ten składnik oscylacyjny może zmienić orientację poprzedzających atomów indukujących przejścia (przewracanie się) momentów magnetycznych tuż przed wejściem w drugie stałe niejednorodne pole.
w pełnej analogii do absorpcji rezonansowej światła widzialnego, przejścia do różnych stanów kwantowych mogą wystąpić z jednego poziomu hiperfiny Zeemana do drugiego, jeśli pole przemienne spełniło warunek częstotliwości Bohra dla różnicy energii między dwoma poziomami. Jednak zamiast częstotliwości optycznych mamy tutaj do czynienia zwykle z częstotliwościami w zakresie radiowym, ponieważ różnice między poziomami energii są bardzo małe. Każda cząsteczka widziała wiele cykli o tej samej częstotliwości i w ten sposób zwiększono prawdopodobieństwo przejścia. Gdy częstotliwość precesji Larmora w polu statycznym odpowiada częstotliwości pola oscylacyjnego, wiele atomów przechodzi w inną orientację i nie trafia w detektor. W tym przypadku detektor rejestruje określone minimum rezonansowe, przy czym jego położenie częstotliwościowe jest określane z niezwykłą precyzją osiągalną za pomocą miernika częstotliwości radiowej. Kiedy częstotliwość Larmora nie jest już w rezonansie z częstotliwością pola oscylacyjnego, atomy są ponownie skupione w detektorze, a sygnał jest ponownie duży.
to był rdzeń metody rezonansu magnetycznego, najbardziej znaczącego ulepszenia w technikach wiązki molekularnej i atomowej, które wyraźnie oferowały bezprecedensową dokładność w nawiązywaniu relacji radiowych ze światem elektronu i jądra atomowego. Jego najbardziej bezpośrednim zastosowaniem był pomiar magnetycznych momentów jądrowych. Podstawą tego stanu jest stan rezonansowy f=(µH) / Ih, w którym F jest częstotliwością precesji osi spinu jądrowego w polu magnetycznym o sile h, a μ jest momentem magnetycznym jądra. Liczba I jest liczbą kwantową spinu jądrowego, liczbą całkowitą lub połową całkowitą, A H jest stałą Plancka. Częstotliwość precesji, po jej wykryciu, jest łatwo mierzona z dużą dokładnością, dzięki czemu można określić wielkość μ/Ih, a moment magnetyczny można znaleźć, jeśli znany jest spin. Dlatego, jeśli częstotliwość pola oscylacyjnego jest powoli zmieniana, gwałtowny spadek (zjawisko rezonansu) następuje w liczbie atomów docierających do detektora, gdy częstotliwość pola jest równa częstotliwości Larmora. Każdy taki rezonans daje wówczas wartość współczynnika μ/IH, a co za tym idzie momentu magnetycznego.
pierwsza krzywa magnetycznego rezonansu jądrowego została wysłana do przeglądu fizycznego 15 stycznia 1938 roku. Pomiary wodoru metodą rezonansową kontynuowano późną wiosną 1938 roku. Zgodnie z przewidywaniami, w cząsteczce HD zaobserwowano dwa silne Rezonanse, z których jeden związany był z protonem, drugi z deuteronem. Obie te absorbcje rezonansowe pozwoliły na precyzyjne określenie momentów magnetycznych zarówno protonu, jak i deuteronu. Jednak zarówno cząsteczki H2, jak i D2 prezentowały wzór różnych absorpcji, zamiast pojedynczego, silnego wąskiego rezonansu, jakiego oczekiwała Grupa. Nowa Aparatura ujawniła szczegóły wzoru wielokrotnego rezonansu, ale teoria nie uwzględniła uzyskanych danych, a Rabi szybko zdał sobie sprawę, że może to być spowodowane istnieniem innej nieoczekiwanej właściwości deuteronu: małego, ale skończonego elektrycznego momentu kwadrupolowego, który jest miarą najniższego rzędu odejścia od sferycznego rozkładu ładunku. To dalekosiężne odkrycie, ogłoszone w 1940 roku, było sporym zaskoczeniem. Natychmiast zmusił teoretyków do rezygnacji z sił centralnych zakładanych do wiązania neutronu i protonu oraz do przyznania, że siły jądrowe są znacznie bardziej złożone niż zakładały pierwsze modele jądrowe z początku lat 30.
po luce w corocznej sukcesji Nagród Nobla, spowodowanej Drugą Wojną Światową, dopiero jesienią 1944 roku Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła, że w 1943 roku nagrodę otrzyma Otto Stern, „za jego wkład w rozwój metody promieni molekularnych i odkrycie momentu magnetycznego protonu”, a w 1944 roku Isidor Rabi, „za jego metodę rezonansową do rejestrowania magnetycznych właściwości jąder atomowych”.
po ii wojnie światowej nuclear magnetic resonance (NMR) stał się koniem roboczym do analizy fizycznej i chemicznej. Jeszcze później odkrycie Rabi ’ ego zostało rozszerzone na rezonans magnetyczny (MRI), potężne Medyczne narzędzie diagnostyczne, które jest obecnie używane w ośrodkach medycznych na całym świecie. W kolejnych dziesięcioleciach metoda wiązki molekularnej została szeroko przyjęta przez środowiska fizyki i Chemii Fizycznej na całym świecie, a za prace oparte na metodzie wiązki molekularnej przyznano około 20 Nagród Nobla; wśród nich byli Kusch i Ramsey, dwaj dawni współpracownicy Rabiego.
Bibliografia
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi and CERN. Physics in Perspective 7: 150-164
, Wywiad Thomasa S. Kuhna, 8 grudnia 1963. Niels Bohr Library \& Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, J. S. (1983) Molecular Beam Experiments on the Hydrogens during the 1930s. Historical Studies in the Physical Sciences 13(2): 335-373
Rigden, J. S. (2008) Rabi, Isidor Isaac. In Complete Dictionary of Scientific Biography. Vol. 24. Detroit: Charles Scribner ’ s Sons, Detroit. 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. Otto Stern (1888-1969): Założyciel eksperymentalnej Fizyki Atomowej. Annalen der Physik 523(12):1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, I. I. In Nobel Prize Winners, H. W. Wilson Company, New York, PP. 847-849