por Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobel de Física 1944
“for his resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei”.Como Norman Ramsey, um dos biógrafos de Isidor Rabi enfatizou, ” alguns cientistas fazem sua maior contribuição através de sua própria pesquisa pessoal, enquanto outros são mais lembrados por sua sabedoria geral e sua influência sobre os outros. Alguns, incluindo o Rabi, sobressaem em ambos os aspectos.”Seria realmente redutor falar das importantes descobertas de Rabi, que levaram ao seu Prêmio Nobel em 1944, sem mencionar como sua influência se estendeu muito além de seu próprio laboratório e como, sob sua liderança visionária como estadista da ciência, muitos empreendimentos bem sucedidos na cooperação nacional e internacional na ciência foram realizados. In particular, he was one of the founders of the Brookhaven National Laboratory and a main promoter of the CERN laboratory. Sua grande reputação e seus contatos, com os principais físicos, bem como com os líderes do governo das Nações Unidas, transformaram-se em ferramentas valiosas quando ele se tornou um porta-voz para o uso pacífico da energia nuclear.Isidor Isaac Rabi nasceu em Rymanow, Áustria-Hungria, em 1898, no final do século XIX, quando os raios-X, a radioactividade e o elétron foram descobertos. No ano seguinte, seus pais se mudaram para Nova York, onde ele frequentou a escola pública, mas ganhando muito de sua educação e interesse em ciência através de livros emprestados da Biblioteca Pública. Em 1916, depois de se formar no ensino médio, Rabi entrou na Universidade Cornell com uma bolsa de estudos, começando em Engenharia Elétrica, mas graduando-se no campo da química. Depois de três anos longe da universidade, ele retornou primeiro para Cornell, para se formar em Química, mudando-se um ano depois para a Universidade de Columbia e voltando-se para a física.Em 1923, quando Rabi começou seus estudos de física, descobriu que seu interesse real era a teoria quântica. No entanto, nenhum professor de física na Columbia era realmente familiarizado com tais novidades vindas da Europa e ele teve que escolher um tópico de dissertação que envolveu a medição da susceptibilidade magnética de uma série de sais cristalinos. Enquanto isso, ele organizou um grupo de estudo de colegas para lidar com a mecânica quântica. Em julho de 1927, Rabi submeteu sua tese de doutorado para a revista Physical Review, e no dia seguinte ele se casou com Helen Newmark. Logo depois, como muitos outros jovens físicos, ele foi em uma viagem comunhão para a Europa, a fim de ter uma visão mais próxima dos pioneiros da nova mecânica quântica.Durante os primeiros meses Rabi visitou Erwin Schrödinger em Zurique, Arnold Sommerfeld em Munique e Niels Bohr em Copenhague. Este último arranjou para Rabi ficar em Hamburgo, com Wolfgang Pauli, que na época era um colaborador de Otto Stern, um dos fundadores da física atômica experimental, não incluindo espectroscopia. No final de outubro, Rabi chegou lá com Yoshio Nishina, que estava visitando a Europa do Japão. Rabi conhecia bem o experimento Stern-Gerlach de 1922, que tinha se tornado um dos marcos no caminho para a física quântica moderna. Na definição deste experimento, Stern foi guiado por Sommerfeld da extensão da teoria de Bohr do átomo – uma extensão de forma independente por Peter Debye – em que, além dos habituais números quânticos para o tamanho e a forma das órbitas, uma quantização da orientação espacial do “Keplerian” de elétrons em órbitas em torno do núcleo, foi proposta, uma proposta referida como espaço de quantização. Devido ao movimento orbital de um único elétron, um átomo pode possuir um momento magnético que determina sua interação com campos elétricos e magnéticos externos. A quantização espacial permitiu apenas orientações discretas selecionadas de cada íman atômico em relação à direção de um campo magnético aplicado externamente. No experimento Stern-Gerlach, um feixe colimado de átomos de prata, todos com o mesmo momento magnético, fluindo de um pequeno buraco de um forno aquecido e movendo-se com velocidades térmicas, passou por um forte campo magnético não uniforme. Em seu caminho entre o forno e o detector, o campo magnético irá exercer um torque sobre o dipolo magnético, que assim precess sobre a direção do campo magnético. O campo não uniforme também exercerá no momento magnético uma força transversal, cuja magnitude e direção dependem da orientação do momento magnético do átomo em relação à direção do campo magnético aplicado externamente. O componente do momento magnético paralelo à direcção do campo não será afectado.
a imagem clássica não inclui nenhuma restrição no ângulo em que o íman atômico pode precess sobre o campo magnético. A expectativa é que, devido aos efeitos térmicos no forno, os momentos dipolos magnéticos dos átomos serão aleatoriamente orientados no espaço em relação à direção do campo. As direções de movimento dos átomos no feixe inicial seriam deslocadas por quantidades aleatórias perpendiculares à direção de movimento do feixe inicial. Uma gradação contínua de deflexões deve, portanto, ocorrer, e o feixe transmitido simplesmente se espalharia como um ventilador.
Na verdade, Stern e Gerlach descobriu que no frio de vidro detector de placa-mãe de feixe dividido em duas partes distintas -com nenhum vestígio de átomos de prata, na região central, onde se poderia ter esperado o undeflected átomos – o que implica que, no caso dos átomos de prata, apenas duas distintas orientações são permitidos com relação à direção do campo magnético. Stern e Gerlach assim consideraram seu resultado uma refutação decisiva da teoria clássica, refutando a teoria Larmor clássica, que foi baseada em valores contínuos para a direção dos momentos magnéticos. Mas ao mesmo tempo, eles erroneamente consideraram o fenômeno uma confirmação da velha teoria quântica, de acordo com a qual o momento magnético do átomo de prata era devido ao momento angular orbital dos elétrons.
Inconscientemente, eles tinham realmente sido o primeiro a observar a quantização do momento magnético associado com o spin do electrão, porque os seus átomos de prata foram, na verdade, no estado fundamental, com um total de orbitais momento magnético igual a zero, de modo que o momento dipolar magnético do átomo foi inteiramente devido ao spin do elétron, um novo número quântico, que seria introduzido em 1925 por George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit.
Stern-Gerlach experiência, um dos primeiros triunfo do feixe molecular, método, como a oferta de outras-de-espectroscópicos evidências de que objetos quânticos apresentam comportamento incompatível com a física clássica, tinha surpreendeu e intrigou Rabi, como estudante, quando ele ainda estava cético sobre a teoria quântica. Ele se convenceu de que o sistema de idéias subjacentes ao átomo de Bohr e as tentativas para expandir essas idéias para outros fenômenos atômicos foram bem fundada e começou a estudar e a discutir com seus amigos todos os papéis que seriam gradualmente incorporados à estrutura formal da nova mecânica quântica. Enquanto trabalhava com Nishina e Pauli em trabalho teórico, ele passou algum tempo no laboratório de Stern e realizou com sucesso o que se tornou seu primeiro experimento de feixe molecular. A configuração do campo magnético que ele projetou para deflectir as partículas do feixe tornou-se conhecido como o campo Rabi. O trabalho de Rabi no laboratório de Stern foi decisivo em virar seu interesse para a pesquisa de feixes moleculares.
Depois de Hamburgo, Rabi foi para Leipzig para trabalhar com Werner Heisenberg, mas, entretanto, Pauli esquerda oportunidades de hotéis de Hamburgo para uma cadeira, em Zurique e em Março de 1929 Rabi e Robert Oppenheimer, que ele conheceu pela primeira vez em Leipzig, seguiu-o de Zurique. Mais uma vez, era uma oportunidade maravilhosa de se familiarizar com algumas das melhores mentes em física, mas sua estadia em Zurique terminou quando, no final de Março, Rabi recebeu de um cabo da Universidade de Columbia, oferecendo-lhe um encarregado de cursos no departamento de física. Eles estavam à procura de um físico teórico, que poderia ensinar a nova mecânica quântica e Heisenberg, durante uma visita à Columbia, tinha fortemente recomendado Rabi para tal posição. Ele aceitou prontamente, e em 1 de agosto de 1929, ele deixou a Europa com sua jovem esposa. Seu aprendizado científico havia terminado, ele tinha desenvolvido uma nova consciência e conhecimento da física nas próprias fontes da nova mecânica quântica.
vigas moleculares para sondar o núcleo
Rabi dedicou seu primeiro ano em Columbia como professor exclusivamente para o esforço extenuante de ensinar os cursos mais avançados do Departamento. Assim começou sua influência dominante na física Americana. Durante os dois anos seguintes, ele fez pesquisas teóricas em física de estado sólido, mas seus pensamentos foram muitas vezes direcionados para vigas moleculares.
in 1931, Harold Urey, Rabi’s Columbia colleague, was attempting to determine the nuclear spin of sodium by an analysis of its spectrum, with inconclusive results. Na época, seu envolvimento de longa data na pesquisa de isótopos estava inspirando-o a procurar por deutério, o isótopo hidrogênio-2, cuja existência ele realmente anunciou na revisão física no dia de Ano Novo, 1932. Por esta descoberta, Urey foi agraciado com o Nobel de Química de 1934. Apenas sete semanas depois, James Chadwick anunciou a “possível existência de um neutrão”, uma descoberta fundamental que abriu oficialmente a era nuclear.No entanto, em 1931 o nêutron ainda não estava lá e o núcleo atômico ainda era uma terra incógnita, um território inexplorado que logo se tornaria o domínio da aventura científica de Rabi. Rabi viu que a técnica do feixe molecular poderia ser usada para enfrentar o desafio oferecido pela incerteza relacionada com o spin nuclear de sódio. Poderia fornecer acesso a questões fundamentais relacionadas ao mundo quântico e ao Reino nuclear. Rabi queria medir o momento magnético de um núcleo da mesma forma que a popa mediu o momento magnético de um átomo de prata. No entanto, muitos refinamentos foram necessários para transformar o experimento básico Stern-Gerlach em uma técnica que poderia ser usada para medições quantitativas.
Em princípio, magnética nuclear propriedades podem ser determinadas através da análise de espectros atômicos, mas devido a minutos tamanho do nuclear momentos – três ordens de magnitude menores do que suas contrapartes eletrônicas – técnicas experimentais foram esticados ao limite e que era muito difícil obter esse tipo de informação através de espectroscopia. A aplicação de um experimento do tipo Stern-Gerlach para a medição de propriedades magnéticas nucleares forneceria uma verificação independente sobre os métodos espectroscópicos difíceis, e ao mesmo tempo fornecer acesso a dados nucleares que de outra forma não estavam disponíveis.Com Gregory Breit, seu colega da Universidade de Nova Iorque, Rabi tinha criado um seminário conjunto para explorar e discutir fenômenos atômicos-nucleares. Em 1931, eles desenvolveram uma fórmula que mostrou a variação do momento magnético de um átomo para os diferentes níveis Zeeman de hyperfine estrutura sob a influência de um campo magnético externo. O método do feixe poderia, assim, ser usado para investigar as propriedades magnéticas nucleares dos átomos. Com Victor Cohen, seu primeiro estudante de graduação, Rabi começou seu trabalho experimental pioneiro na medição precisa de propriedades nucleares, o que o levou à vanguarda da física nuclear durante a década seguinte. Variando os campos deflectores ao longo do caminho percorrido pelos átomos de sódio, o feixe foi dividido em beamlets individuais em cada um dos quais os átomos de sódio estavam no mesmo estado quântico hiperfino. O número total de beamlets dependia do spin nuclear de sódio, portanto, tudo o que eles tinham que fazer era contar o número de beamlets observado no detector. A partir disso, eles poderiam inferir que o spin nuclear de sódio é 3/2, mas por muitos meses eles não comunicaram suas descobertas, e os primeiros resultados experimentais foram publicados apenas em Março de 1933.
no mesmo ano 1933, Stern e seu grupo tinham medido o momento magnético do próton, que foi encontrado para ser cerca de 2,8 vezes maior do que o que a teoria de Paul Dirac de 1928 parecia prever. Este resultado inesperado foi, de facto, uma grande descoberta. A descoberta do spin do elétron tinha sido de primeira importância na obtenção de uma compreensão da estrutura atômica. Da mesma forma, esperava-se que um conhecimento do momento magnético do próton desempenhasse um papel semelhante no campo da estrutura nuclear.O caráter fundamental das medidas de Stern e seus colaboradores levou Rabi a estabelecer seu próprio experimento para medir o momento magnético do próton e do deutério. Com dois pós-doutorandos, J. M. B. Kellog e Jerrold R. Zacharias, Rabi rapidamente começou a criar um experimento na Universidade de Columbia para medir o momento magnético do próton, aplicando a teoria Breit-Rabi.
resultados publicados em 1934 indicaram um valor ainda maior do que o surpreendente resultado de Stern. Outras tentativas realizadas em 1936 utilizaram um novo método com dois ímãs deflectores que cada partícula de feixe passou sequencialmente. Depois de ser desviado no primeiro campo magnético não homogêneo, átomos rápidos e lentos seriam reorientados para o detector pelo segundo campo não homogêneo, evitando complicações associadas com as velocidades distribuídas das partículas de feixe. Entre os dois ímãs deflectores havia um novo campo estático em forma de T. Feixes que passam pelo campo estático viram o equivalente a um campo magnético rotativo, ou oscilante, que exerceu uma força de inclinação no momento magnético fazendo-o girar de uma orientação para outra quando o campo aparente tinha uma velocidade angular aproximadamente igual à frequência de precessão do Larmor do momento magnético sobre o campo magnético. O estudo destas transições estimuladas entre os Estados magnéticos do átomo de hidrogênio permitiu, pela primeira vez, determinar que os momentos magnéticos do próton e deutério são positivos. O efeito deste novo arranjo foi que ele melhorou muito os resultados experimentais, reduzindo a incerteza no valor medido do próton do momento magnético de 10 por cento para 5 por cento e 4 por cento em vez de 26 por cento para o deuteron. Mas não só estes resultados forneceram melhores valores e os sinais do momento, mas também o momento magnético do neutrão.
Ressonância Magnética Método
Durante a maioria dos anos 1930 Rabi e seus colaboradores, que por esta época incluía também Polykarp Kusch, Sydney Millmann e Norman Ramsey, continuou a investigar os dois primeiros isótopos do átomo de hidrogênio. No planeamento de uma terceira experiência, um aparelho muito semelhante ao utilizado na experiência anterior foi concebido, mas de uma forma ligeiramente modificada. Os dois fortes campos deflectores não homogêneos foram novamente configurados para deflectir partículas do feixe em direções opostas, e a força do campo do segundo íman foi definida para desfazer exatamente o que o primeiro íman fez, ou seja, para reorientar as partículas do feixe para o detector. Se estes dois campos estivessem agindo sozinhos no feixe, o número de átomos detectados seria o mesmo que se não houvesse campos presentes, porque o segundo campo compensaria exatamente a ação do primeiro campo.
a verdadeira novidade deste experimento foi que o terceiro campo t estático simples foi complementado por um componente de campo fraco sobreposto em ângulos retos ao forte campo homogêneo constante e oscilando em uma frequência de rádio ajustável. Este componente oscilatório pode mudar a orientação dos átomos que predicam induzindo transições (capotando) dos momentos magnéticos pouco antes de entrarem no segundo campo inomogêneo constante.
In full analogy to the resonance absorption of visible light, transitions to different quantum states could occur from one Zeeman hyperfine level to another if the alternating field satisfied Bohr’s frequency condition for the energy difference between the two levels. No entanto, em vez de frequências ópticas, trata-se aqui normalmente de frequências na faixa de rádio, porque as diferenças entre os níveis de energia são muito pequenas. Cada molécula viu muitos ciclos da mesma frequência e a probabilidade de uma transição foi assim aumentada. Quando a frequência de precessão do Larmor no campo estático corresponde à frequência do campo oscilante, muitos átomos mudam para outra orientação e perdem o detector. Neste caso, o detector regista um mínimo de ressonância marcada, sendo a posição de frequência desse mínimo determinada com a extraordinária precisão possível com o medidor de radiofrequências. Quando a frequência Larmor não está mais em ressonância com a frequência do campo oscilante, os átomos são todos reorientados para o detector, e o sinal é mais uma vez grande.Este foi o núcleo do método de ressonância magnética, a melhoria mais significativa nas técnicas de feixe molecular e atômico, que claramente oferecia precisão sem precedentes no estabelecimento de relações de rádio com o mundo do elétron e do núcleo atômico. Sua aplicação mais direta foi a medição de momentos magnéticos nucleares. A base para isso é a condição de ressonância f=(µH)/Ih, na qual f é a frequência de precessão do eixo do spin nuclear em um campo magnético de força H, E μ é o momento magnético do núcleo. O número I é o número quântico de spin nuclear, um inteiro ou meio inteiro, e h é a constante de Planck. A frequência da precessão, uma vez detectada, é facilmente medida com alta precisão, e assim pode-se determinar a quantidade μ/Ih, e o momento magnético pode ser encontrado Se o spin é conhecido. Portanto, se a frequência do campo oscilante é variada lentamente, uma diminuição acentuada (o fenômeno de ressonância) ocorre no número de átomos que chegam ao detector quando a frequência do campo é igual à frequência Lármora. Cada ressonância dá então um valor da razão μ / Ih e, portanto, do momento magnético.
a primeira curva de ressonância magnética nuclear foi enviada para revisão física em 15 de janeiro de 1938. Medições Sobre hidrogênio com o método de ressonância continuaram no final da primavera de 1938. Como previsto, duas ressonâncias fortes foram observadas com a molécula HD, uma das quais foi associada com o próton, a outra com o deutério. Ambas as absorções de ressonância tornaram possível determinar os momentos magnéticos do próton e do deutério com maior precisão. No entanto, ambas as moléculas H2 e D2 estavam apresentando um padrão de diferentes absorções, em vez da única, forte ressonância estreita que o grupo esperava. Um novo aparelho revela os detalhes dos vários ressonância padrão, mas a teoria não levou em conta os dados obtidos, e Rabi logo percebemos que isso pode ser devido à existência de outra propriedade insuspeita do deuteron: um pequeno, mas finito elétrica quadripolares momento, que é uma medida de ordem mais baixa da partida a partir de um esférico distribuição de carga. Esta descoberta de grande alcance, anunciada em 1940, foi uma grande surpresa. Ele imediatamente obrigou os teóricos a renunciar às forças centrais assumidas para ligar o nêutron e próton juntos e admitir que as forças nucleares são muito mais complexas do que os primeiros modelos nucleares do início da década de 1930 tinha assumido.
Após o hiato na sucessão anual de Prêmios Nobel, devido à Segunda Guerra Mundial, não foi até o outono de 1944, que a Academia Real sueca de Ciências anunciou que para de 1943, o prêmio será entregue ao Otto Stern, “por sua contribuição para o desenvolvimento da molecular ray método e a sua descoberta do momento magnético do próton”, e que para de 1944 para Isidor Rabi”, por seu método de ressonância para a gravação de propriedades magnéticas dos núcleos atômicos”.
após a Segunda Guerra Mundial, a ressonância magnética nuclear (NMR) tornou-se um cavalo de trabalho para a análise física e química. Ainda mais tarde, a descoberta de Rabi foi estendida para Ressonância Magnética (MRI), uma poderosa ferramenta de diagnóstico médico, que é agora usado em centros médicos em todo o mundo. Nas décadas seguintes, o método do feixe molecular tem sido amplamente adotado pelas comunidades de física e físico-química em todo o mundo, e cerca de 20 Prêmios Nobel foram concedidos por trabalho baseado no método do feixe molecular; entre eles estavam Kusch e Ramsey, dois dos antigos colaboradores de Rabi.
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