de Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Premiul Nobel pentru Fizică 1944
„pentru metoda sa de rezonanță pentru înregistrarea proprietăților magnetice ale nucleelor atomice”.
după cum a subliniat Norman Ramsey, unul dintre biografii lui Isidor Rabi, „unii oameni de știință își aduc cea mai mare contribuție prin propriile cercetări personale, în timp ce alții sunt cel mai bine amintiți pentru înțelepciunea lor generală și influența lor asupra altora. Câțiva, inclusiv Rabi, excelează în ambele privințe.”Ar fi de fapt reductiv să vorbim despre descoperirile importante ale lui Rabi, care au dus la Premiul Nobel în 1944, fără a menționa modul în care influența sa s-a extins mult dincolo de propriul laborator și cum, sub conducerea sa vizionară ca om de Stat al științei, s-au realizat multe proiecte de succes în cooperarea națională și internațională în domeniul științei. În special, a fost unul dintre fondatorii Laboratorului Național Brookhaven și un promotor principal al Laboratorului CERN. Marea sa reputație și contactele sale, cu fizicienii de frunte, precum și cu liderii guvernamentali ai Națiunilor Unite, s-au transformat în instrumente valoroase atunci când a devenit purtător de cuvânt al utilizării pașnice a energiei nucleare.
devenind un adept al teoriei cuantice
Isidor Isaac Rabi s-a născut în Rymanow, Austria-Ungaria, în 1898, la sfârșitul secolului 19, când au fost descoperite raze X, radioactivitate și electron. În anul următor, părinții săi s-au mutat la New York, unde a urmat școala publică, dar și-a câștigat o mare parte din educație și interes pentru știință prin cărți împrumutate de la Biblioteca Publică. În 1916, după absolvirea liceului, Rabi a intrat la Universitatea Cornell cu o bursă, începând cu ingineria electrică, dar absolvind în domeniul chimiei. După trei ani departe de universitate, s-a întors mai întâi la Cornell, pentru a lucra absolvent în chimie, mutându-se un an mai târziu la Universitatea Columbia și apelând la fizică.
în 1923, când Rabi își începea studiile de fizică, a descoperit că interesul său real era teoria cuantică. Cu toate acestea, niciun profesor de fizică de la Columbia nu era într-adevăr familiarizat cu astfel de noutăți venite din Europa și a trebuit să aleagă un subiect de disertație care să implice măsurarea susceptibilității magnetice a unei serii de săruri cristaline. Între timp a organizat un grup de studiu de colegi pentru a se lupta cu mecanica cuantică. În iulie 1927, Rabi și-a prezentat teza de doctorat în revista Physical Review, iar a doua zi s-a căsătorit cu Helen Newmark. Curând după aceea, la fel ca mulți alți tineri fizicieni americani, el a plecat într-o bursă de călătorie în Europa, pentru a avea o viziune mai atentă asupra pionierilor noii mecanici cuantice.
un turneu European prin centrele mecanicii cuantice
în primele luni Rabi a vizitat Erwin Schr la Zurich, Arnold Sommerfeld la Munchen și Niels Bohr la Copenhaga. Acesta din urmă a aranjat ca Rabi să rămână la Hamburg, cu Wolfgang Pauli, care la acea vreme era colaborator al Otto Stern, unul dintre părinții fondatori ai fizicii atomice experimentale, fără a include spectroscopia. La sfârșitul lunii octombrie, Rabi a sosit acolo cu Yoshio Nishina, care vizita Europa din Japonia. Rabi cunoștea bine experimentul Stern-Gerlach din 1922, care s-a dovedit a fi unul dintre reperele pe calea către fizica cuantică modernă. În stabilirea acestui experiment, Stern a fost ghidat de extensia lui Sommerfeld a teoriei Bohr a atomului – o extensie propusă independent de Peter Debye-în care, pe lângă numerele cuantice obișnuite pentru dimensiunea și forma orbitelor, a fost propusă o cuantizare a orientării spațiale a orbitelor electronice „Kepleriene” în jurul nucleului, o propunere denumită cuantizare spațială. Datorită mișcării orbitale a unui singur electron, un atom poate avea un moment magnetic care determină interacțiunea sa cu câmpurile electrice și magnetice externe. Cuantizarea spațială a permis doar orientări discrete selectate ale fiecărui magnet atomic în raport cu direcția unui câmp magnetic aplicat extern. În experimentul Stern-Gerlach, un fascicul colimat de atomi de argint, toți cu același moment magnetic, care curge dintr-o gaură minusculă a unui cuptor încălzit și se deplasează cu viteze termice, a trecut printr-un câmp magnetic puternic neuniform. Pe calea sa între cuptor și detector, câmpul magnetic va exercita un cuplu asupra dipolului magnetic, care va precesa astfel direcția câmpului magnetic. Câmpul neuniform va exercita, de asemenea, asupra momentului magnetic o forță transversală, a cărei magnitudine și direcție depind de orientarea momentului magnetic al atomului în raport cu direcția câmpului magnetic aplicat extern. Componenta momentului magnetic paralel cu direcția câmpului nu va fi afectată.
imaginea clasică nu include nicio restricție asupra unghiului la care magnetul atomic poate precesa despre câmpul magnetic. Așteptarea este că, datorită efectelor termice din cuptor, momentele dipol magnetice ale atomilor vor fi orientate aleatoriu în spațiu în raport cu direcția câmpului. Direcțiile de mișcare ale atomilor din fasciculul inițial ar fi deplasate prin cantități aleatorii perpendiculare pe direcția de mișcare a fasciculului inițial. Astfel, ar trebui să apară o gradare continuă a deformărilor, iar fasciculul transmis s-ar răspândi doar ca un ventilator.
de fapt, Stern și Gerlach au descoperit că pe placa detectorului de sticlă rece fasciculul părinte s-a împărțit în două părți distincte – fără urme de atomi de argint în regiunea centrală, unde s-ar fi așteptat atomii nedeflectați-ceea ce înseamnă că, în cazul atomilor de argint, sunt permise doar două orientări distincte în ceea ce privește direcția câmpului magnetic. Stern și Gerlach au considerat astfel rezultatul lor o respingere decisivă a teoriei clasice, respingând teoria clasică Larmor, care se baza pe valori continue pentru direcția momentelor magnetice. Dar, în același timp, au considerat în mod eronat fenomenul o confirmare a vechii teorii cuantice, conform căreia momentul magnetic al atomului de argint se datora momentului unghiular orbital al electronilor.
fără să știe, ei au fost de fapt primii care au observat cuantizarea momentului magnetic asociat cu spinul electronilor, deoarece atomii lor de argint erau de fapt în starea de bază, cu un moment magnetic orbital total egal cu zero, astfel încât momentul dipol magnetic al atomului s-a datorat în întregime spinului electronului, un nou număr cuantic care va fi introdus în 1925 de George Uhlenbeck și Samuel Goudsmit.
experimentul Stern-Gerlach, un triumf timpuriu al metodei fasciculului molecular, oferind alte dovezi decât spectroscopice că obiectele cuantice prezintă un comportament incompatibil cu fizica clasică, l-a uimit și intrigat pe Rabi ca student, când era încă sceptic cu privire la teoria cuantică. El a devenit convins că sistemul de idei care stau la baza atomului Bohr și încercările de a extinde aceste idei la alte fenomene atomice au fost bine întemeiate și au început să studieze și să discute cu prietenii săi toate lucrările care ar fi încorporate treptat în structura formală a noii mecanici cuantice.
în timp ce lucra cu Nishina și Pauli la munca teoretică, a petrecut ceva timp în laboratorul lui Stern și a realizat cu succes ceea ce a devenit primul său experiment cu fascicul molecular. Configurația câmpului magnetic pe care a proiectat-o pentru a devia particulele fasciculului a devenit cunoscută sub numele de câmpul Rabi. Munca lui Rabi în laboratorul lui Stern a fost decisivă în transformarea interesului său către cercetarea fasciculului molecular.
după Hamburg, Rabi a plecat la Leipzig pentru a lucra cu Werner Heisenberg, dar între timp Pauli a părăsit Hamburg pentru un scaun la Zurich și în martie 1929 Rabi și Robert Oppenheimer, pe care îl întâlnise pentru prima dată la Leipzig, l-au urmat la Zurich. Încă o dată a fost o ocazie minunată de a face cunoștință cu unele dintre cele mai bune minți din fizică, dar șederea sa la Zurich s-a încheiat când, la sfârșitul lunii martie, Rabi a primit un cablu de la Universitatea Columbia, oferindu-i un lector la Departamentul de fizică. Ei căutau un fizician teoretic, care să poată preda Noua mecanică cuantică, iar Heisenberg însuși, în timpul unei vizite la Columbia, a recomandat cu tărie Rabi pentru o astfel de poziție. A acceptat prompt, iar la 1 August 1929 a părăsit Europa împreună cu tânăra sa soție. Ucenicia sa științifică se încheiase, el dezvoltase o nouă conștientizare și cunoaștere a fizicii chiar la sursele noii mecanici cuantice.
grinzi moleculare pentru a sonda nucleul
Rabi și-a dedicat primul an la Columbia ca lector exclusiv efortului intens de a preda cele mai avansate cursuri din departament. Astfel a început influența sa omniprezentă asupra fizicii americane. În următorii doi ani a făcut cercetări teoretice în fizica solid-state, dar gândurile sale au fost foarte des direcționate către grinzi moleculare.
în 1931, Harold Urey, colegul lui Rabi din Columbia, încerca să determine spinul nuclear al sodiului printr-o analiză a spectrului său, cu rezultate neconcludente. La acea vreme, implicarea sa de lungă durată în cercetarea izotopilor l-a inspirat să caute deuteriu, izotopul hidrogen-2, a cărui existență a anunțat-o de fapt în revista fizică în ziua de Anul Nou, 1932. Pentru această descoperire, Urey a primit apoi Premiul Nobel pentru Chimie 1934. Doar șapte săptămâni mai târziu, James Chadwick a anunțat „posibila existență a unui neutron”, o descoperire fundamentală care a deschis oficial era nucleară.
cu toate acestea, în 1931 neutronul nu era încă acolo și nucleul atomic era încă o terra incognita, un teritoriu neexplorat care va deveni în curând domeniul aventurii științifice a lui Rabi. Rabi a văzut că tehnica fasciculului molecular ar putea fi utilizată pentru a face față provocării oferite de incertitudinea legată de spinul nuclear al sodiului. Ar putea oferi acces la întrebări fundamentale legate atât de lumea cuantică, cât și de domeniul nuclear. Rabi a vrut să măsoare momentul magnetic al unui nucleu în modul în care Stern a măsurat momentul magnetic al unui atom de argint. Cu toate acestea, au fost necesare multe rafinamente pentru a transforma experimentul de bază Stern-Gerlach într-o tehnică care ar putea fi utilizată pentru măsurători cantitative.
în principiu, proprietățile magnetice nucleare ar putea fi determinate prin analiza spectrelor atomice, dar datorită mărimii minuscule a momentelor nucleare – cu trei ordine de mărime mai mici decât omologii lor electronici – tehnicile experimentale au fost tensionate la limită și a fost destul de dificil să se obțină acest tip de informații prin spectroscopie. Aplicarea unui experiment de tip Stern-Gerlach la măsurarea proprietăților magnetice nucleare ar oferi o verificare independentă a metodelor spectroscopice dificile și, în același timp, ar oferi acces la date nucleare care altfel nu erau disponibile.
cu Gregory Breit, colegul său de la Universitatea din New York, Rabi a organizat un seminar comun pentru a explora și discuta fenomenele Atomico-nucleare. În 1931, au dezvoltat o formulă care a arătat variația momentului magnetic al unui atom pentru diferitele niveluri Zeeman ale structurii hiperfine sub influența unui câmp magnetic extern. Metoda fasciculului ar putea fi astfel utilizată pentru a investiga proprietățile magnetice nucleare ale atomilor.
cu Victor Cohen, primul său student absolvent, Rabi și-a început munca experimentală de pionierat privind măsurarea precisă a proprietăților nucleare, ceea ce l-a adus în fruntea fizicii nucleare în deceniul următor. Prin variația câmpurilor de deviere de-a lungul căii traversate de atomii de sodiu, fasciculul a fost împărțit în fascicule individuale în fiecare dintre care atomii de sodiu erau în aceeași stare cuantică hiperfină. Numărul total de fascicule depindea de spinul nuclear al sodiului, prin urmare, tot ce trebuiau să facă era să numere numărul de fascicule observate la detector. Din aceasta au putut deduce că spinul nuclear al sodiului este de 3/2, dar timp de multe luni nu și-au comunicat constatările, iar primele rezultate experimentale au fost publicate abia în martie 1933.
în același an 1933, Stern și grupul său au măsurat momentul magnetic al protonului, care s-a dovedit a fi de aproximativ 2,8 ori mai mare decât ceea ce teoria lui Paul Dirac din 1928 părea să prezică. Acest rezultat neașteptat a fost de fapt o descoperire majoră. Descoperirea spinului electronului a fost de primă importanță în obținerea unei înțelegeri a structurii atomice. De asemenea, era de așteptat ca o cunoaștere a momentului magnetic al protonului să joace un rol similar în domeniul structurii nucleare.
caracterul fundamental al măsurătorilor lui Stern și ale colaboratorilor săi l – au determinat pe Rabi să – și înființeze propriul experiment pentru a măsura momentul magnetic al protonului-precum și al deuteronului -. Cu doi bursieri postdoctorali, J. M. B. Kellog și Jerrold R. Zacharias, Rabi a început rapid să înființeze un experiment la Universitatea Columbia pentru a măsura momentul magnetic al protonului, prin aplicarea teoriei Breit-Rabi.
rezultatele publicate în 1934 au indicat o valoare și mai mare decât rezultatul surprinzător al lui Stern. Alte încercări efectuate în 1936 au folosit o nouă metodă cu doi magneți deflectori pe care fiecare particulă de fascicul a trecut secvențial. După ce a fost deviat în primul câmp magnetic neomogen, atât atomii rapizi, cât și cei lenți ar fi reorientați în detector de cel de-al doilea câmp neomogen, evitând complicațiile asociate cu vitezele distribuite ale particulelor fasciculului. Între cei doi magneți deflectori a existat un nou câmp static, în formă de T. Grinzile care trec prin câmpul static au văzut echivalentul unui câmp magnetic rotativ sau oscilant, care exercita o forță de basculare asupra momentului magnetic, făcându-l să se rotească de la o orientare la alta atunci când câmpul aparent avea o viteză unghiulară aproximativ egală cu frecvența de precesie Larmor a momentului magnetic despre câmpul magnetic. Studiul acestor tranziții stimulate între stările magnetice ale atomului de hidrogen a permis, pentru prima dată, să se determine că momentele magnetice ale protonului și deuteronului sunt pozitive. Efectul acestui nou aranjament a fost că a îmbunătățit foarte mult rezultatele experimentale, reducând incertitudinea în valoarea măsurată a momentului magnetic al protonului de la 10% la 5% și 4% în loc de 26% pentru deuteron. Dar nu numai că aceste rezultate au oferit valori mai bune și semnele momentului, ci și momentul magnetic al neutronului.
metoda de rezonanță magnetică
de-a lungul majorității anilor 1930 Rabi și colaboratorii săi, care până în acest moment includeau și Polykarp Kusch, Sydney Millmann și Norman Ramsey, au continuat să investigheze primii doi izotopi ai atomului de hidrogen. În planificarea unui al treilea experiment, a fost proiectat un aparat foarte similar cu cel utilizat în experimentul precedent, dar într-o formă oarecum modificată. Cele două câmpuri puternice de deviere neomogene au fost din nou configurate pentru a devia particulele fasciculului în direcții opuse, iar intensitatea câmpului celui de-al doilea magnet a fost setată pentru a anula exact ceea ce a făcut primul magnet, adică pentru a reorienta particulele fasciculului în detector. Dacă aceste două câmpuri singure ar acționa asupra fasciculului, numărul de atomi detectați ar fi același ca și cum nu ar exista câmpuri prezente, deoarece al doilea câmp ar compensa exact acțiunea primului câmp.
noutatea reală a acestui experiment a fost că al treilea câmp t static simplu a fost completat de o componentă de câmp slab suprapusă în unghi drept cu câmpul omogen constant puternic și oscilând la o frecvență radio reglabilă. Această componentă oscilatorie ar putea schimba orientarea atomilor de precesare care induc tranziții (răsturnarea) momentelor magnetice chiar înainte de a intra în al doilea câmp neomogen constant.
în analogie completă cu absorbția de rezonanță a luminii vizibile, tranzițiile la diferite stări cuantice ar putea avea loc de la un nivel hiperfin Zeeman la altul dacă câmpul alternativ ar satisface condiția de frecvență a lui Bohr pentru diferența de energie dintre cele două niveluri. Cu toate acestea, în loc de frecvențe optice, aici se tratează în mod normal frecvențele din gama radio, deoarece diferențele dintre nivelurile de energie sunt foarte mici. Fiecare moleculă a văzut multe cicluri de aceeași frecvență și probabilitatea unei tranziții a fost astfel îmbunătățită. Când frecvența de precesie Larmor în câmpul static se potrivește cu frecvența câmpului oscilant, mulți atomi se întorc la o altă orientare și ratează detectorul. În acest caz detectorul înregistrează un minim de rezonanță marcat, poziția de frecvență a acestui minim fiind determinată cu precizia extraordinară realizabilă cu gabaritul de frecvență radio. Când frecvența Larmor nu mai este în rezonanță cu frecvența câmpului oscilant, atomii sunt reorientați în detector, iar semnalul este din nou mare.
acesta a fost nucleul metodei de rezonanță magnetică, cea mai semnificativă îmbunătățire a tehnicilor fasciculului molecular și atomic, care a oferit în mod clar o precizie fără precedent în stabilirea relațiilor radio cu lumea electronului și a nucleului atomic. Aplicația sa cea mai directă a fost măsurarea momentelor magnetice nucleare. Baza pentru aceasta este condiția de rezonanță f=(XVH)/Ih, în care f este frecvența de precesie a axei spinului nuclear într-un câmp magnetic de forță H, iar XV este momentul magnetic al nucleului. Numărul I este numărul cuantic al spinului nuclear, un număr întreg sau jumătate întreg, iar h este constanta lui Planck. Frecvența precesiei, odată detectată, este ușor de măsurat cu o precizie ridicată și astfel se poate determina cantitatea de ih, iar momentul magnetic poate fi găsit dacă spinul este cunoscut. Prin urmare, dacă frecvența câmpului oscilant este lent variată, apare o scădere bruscă (fenomenul de rezonanță) a numărului de atomi care ajung la detector atunci când frecvența câmpului este egală cu frecvența Larmor. Fiecare astfel de rezonanță dă apoi o valoare a raportului hectolitru/Ih și, prin urmare, a momentului magnetic.
prima curbă de rezonanță magnetică nucleară a fost trimisă la revizuirea fizică la 15 ianuarie 1938. Măsurătorile pe hidrogen cu metoda de rezonanță au continuat la sfârșitul primăverii anului 1938. După cum s-a prezis, au fost observate două rezonanțe puternice cu molecula HD, dintre care una a fost asociată cu protonul, cealaltă cu deuteronul. Ambele absorbții de rezonanță au făcut posibilă determinarea momentelor magnetice atât ale protonului, cât și ale deuteronului cu o precizie îmbunătățită. Cu toate acestea, atât moleculele H2, cât și D2 prezentau un model de absorbții diferite, în loc de rezonanța îngustă unică și puternică pe care grupul o aștepta. Un nou aparat a dezvăluit detaliile modelului de rezonanță multiplă, dar teoria nu a ținut cont de datele obținute, iar Rabi și-a dat seama curând că acest lucru s-ar putea datora existenței unei alte proprietăți nebănuite a deuteronului: un moment cvadrupol electric mic, dar finit, care este o măsură a plecării de ordinul cel mai mic de la o distribuție sferică a sarcinii. Această descoperire de anvergură, anunțată în 1940, a fost o surpriză. A obligat imediat teoreticienii să renunțe la forțele centrale presupuse a lega neutronul și protonul împreună și să admită că forțele nucleare sunt mult mai complexe decât au presupus primele modele nucleare de la începutul anilor 1930.
după decalajul din succesiunea anuală a Premiilor Nobel, din cauza celui de-al Doilea Război Mondial, abia în toamna anului 1944 Academia regală suedeză de științe a anunțat că pentru 1943 premiul va fi acordat lui Otto Stern, „pentru contribuția sa la dezvoltarea metodei cu raze moleculare și descoperirea momentului magnetic al protonului”, iar pentru 1944 lui Isidor Rabi, „pentru metoda sa de rezonanță pentru înregistrarea proprietăților magnetice ale nucleelor atomice”.
după Al Doilea Război Mondial, rezonanța magnetică nucleară (RMN) a devenit un cal de lucru pentru analiza fizică și chimică. Mai târziu, descoperirea lui Rabi a fost extinsă la imagistica prin rezonanță magnetică (RMN), un instrument puternic de diagnostic medical, care este acum utilizat în centrele medicale din întreaga lume. În deceniile următoare, metoda fasciculului molecular a fost adoptată pe scară largă de comunitățile de fizică și chimie fizică din întreaga lume și au fost acordate aproximativ 20 de premii Nobel pentru munca bazată pe metoda fasciculului molecular; printre ei s-au numărat Kusch și Ramsey, doi dintre foștii colaboratori ai Rabi.
Bibliografie
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi și CERN. Fizica în perspectivă 7: 150-164
Rabi, I. I., Interviu de Thomas S. Kuhn, 8 decembrie 1963. Biblioteca Niels Bohr \ & Arhive, Institutul American de Fizică, College Park, MD SUA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, J. S. (1983) experimente cu fascicul Molecular asupra hidrogenilor în anii 1930. Studii Istorice în științele fizice 13(2): 335-373
Rigden, J. S. (2008) Rabi, Isidor Isaac. În dicționarul complet al biografiei științifice. Vol. 24. Detroit: fiii lui Charles Scribner, Detroit. PP. 191-197. Biblioteca Virtuală de referință Gale
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. și colab. (2011) Otto Stern (1888-1969): Părintele fondator al fizicii atomice experimentale. Annalen der Physik 523 (12): 1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, I. I. În câștigătorii Premiului Nobel, compania H. W. Wilson, New York, PP. 847-849