av Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Nobelpriset i fysik 1944
”för hans resonansmetod för registrering av atomkärnans magnetiska egenskaper”.
som Norman Ramsey, en av Isidor rabis biografer betonade, ”vissa forskare gör sitt största bidrag genom sin egen personliga forskning, medan andra bäst kommer ihåg för sin allmänna visdom och deras inflytande på andra. Några, inklusive Rabi, utmärker sig i båda avseenden.”Det skulle faktiskt vara reducerande att prata om rabis viktiga upptäckter, som ledde till hans Nobelpris 1944, utan att nämna hur hans inflytande sträckte sig långt bortom hans eget laboratorium och hur, under hans visionära ledarskap som vetenskapsman, många framgångsrika satsningar på nationellt och internationellt samarbete inom vetenskap realiserades. I synnerhet var han en av grundarna till Brookhaven National Laboratory och en huvudpromotor för CERN-laboratoriet. Hans stora rykte och hans kontakter, med de ledande fysikerna och med FN: s regeringsledare, blev till värdefulla verktyg när han blev talesman för fredlig användning av kärnenergi.
att bli en skicklig i kvantteori
Isidor Isaac Rabi föddes i Rymanow, Österrike-Ungern, 1898, i slutet av 19th century, när röntgenstrålar, radioaktivitet och elektronen upptäcktes. Året därpå flyttade hans föräldrar till New York City där han gick på allmän skola, men fick mycket av sin utbildning och intresse för vetenskap genom böcker lånade från det offentliga biblioteket. År 1916, efter examen från gymnasiet, gick Rabi in i Cornell University med ett stipendium, som började inom elektroteknik, men examen inom kemi. Efter tre år långt från universitetet återvände han först till Cornell, för att göra examensarbete i kemi, flytta ett år senare till Columbia University och vända sig till fysik.
1923, när Rabi började sina fysikstudier, upptäckte han att hans verkliga intresse var kvantteorin. Men ingen fysikprofessor vid Columbia var verkligen bekant med sådana nyheter som kom från Europa och han var tvungen att välja ett avhandlingsämne som innebar att man mätte den magnetiska mottagligheten hos en serie kristallina salter. Under tiden organiserade han en studiegrupp med medstudenter för att brottas med kvantmekanik. I juli 1927 överlämnade Rabi sin doktorsavhandling till tidskriften Physical Review, och nästa dag gifte han sig med Helen Newmark. Strax efter, liksom många andra amerikanska unga fysiker, gick han på en resande gemenskap till Europa för att få en närmare bild av pionjärerna inom den nya kvantmekaniken.
en Europaresa genom centres of Quantum Mechanics
under de första månaderna besökte Rabi Erwin Schr Aubbidinger i Zurich, Arnold Sommerfeld i Munich och Niels Bohr i Köpenhamn. Den senare ordnade för Rabi att stanna i Hamburg, med Wolfgang Pauli, som vid den tiden var en medarbetare av Otto Stern, en av grundarna till experimentell atomfysik exklusive spektroskopi. I slutet av oktober kom Rabi dit med Yoshio Nishina, som besökte Europa från Japan. Rabi kände väl Stern-Gerlach-experimentet 1922, vilket hade visat sig vara en av milstolparna på vägen till modern kvantfysik. Vid upprättandet av detta experiment styrdes Stern av Sommerfelds förlängning av Bohr – teorin om atomen – en förlängning som oberoende framfördes av Peter Debye-där, förutom de vanliga kvantnumren för banans storlek och form, en kvantifiering av den rumsliga orienteringen av de ”Keplerian” elektronbanorna runt kärnan, föreslogs, ett förslag som kallas rymdkvantifiering. På grund av orbitalrörelsen hos en enda elektron kan en atom ha ett magnetiskt ögonblick som bestämmer dess interaktion med externa elektriska och magnetiska fält. Rumslig kvantifiering tillät endast utvalda diskreta orienteringar för varje atommagnet i förhållande till riktningen för ett externt applicerat magnetfält. I Stern-Gerlach-experimentet passerade en kollimerad stråle av silveratomer, alla med samma magnetiska moment, som strömmar från ett litet hål i en uppvärmd ugn och rör sig med termiska hastigheter, genom ett starkt ojämnt magnetfält. På sin väg mellan ugnen och detektorn kommer magnetfältet att utöva ett vridmoment på den magnetiska dipolen, vilket således kommer att föregripa magnetfältets riktning. Det ojämna fältet kommer också att utöva en tvärgående kraft på magnetmomentet, vars storlek och riktning beror på orienteringen av atomens magnetiska moment i förhållande till riktningen för det externt applicerade magnetfältet. Komponenten i det magnetiska ögonblicket parallellt med fältriktningen påverkas inte.
den klassiska bilden innehåller ingen begränsning av vinkeln vid vilken atommagneten kan föregå magnetfältet. Förväntningen är att på grund av termiska effekter i ugnen kommer atomernas magnetiska dipolmoment att slumpmässigt orienteras i rymden med avseende på fältets riktning. Rörelseriktningarna för atomerna i den ursprungliga strålen skulle förskjutas av slumpmässiga mängder vinkelrätt mot rörelseriktningen för den ursprungliga strålen. En kontinuerlig gradering av avböjningar bör således inträffa, och den överförda strålen skulle bara spridas ut som en fläkt.
i själva verket fann Stern och Gerlach att på den kalla glasdetektorplattan delades moderstrålen i två distinkta delar-utan spår av silveratomer i den centrala regionen, där man skulle ha förväntat sig de odeflekterade atomerna – vilket innebär att i fallet med silveratomerna är endast två distinkta orienteringar tillåtna med avseende på magnetfältets riktning. Stern och Gerlach ansåg sålunda deras resultat en avgörande motbevisning av den klassiska teorin, som motbevisade den klassiska Larmor-teorin, som baserades på kontinuerliga värden för de magnetiska momentens riktning. Men samtidigt ansåg de felaktigt fenomenet en bekräftelse på den gamla kvantteorin, enligt vilken silveratomens magnetiska ögonblick berodde på elektronernas orbitala vinkelmoment.
omedvetet hade de faktiskt varit de första som observerade kvantifieringen av magnetiskt ögonblick associerat med elektronspinn, eftersom deras silveratomer faktiskt var i marktillstånd, med totalt orbitalt magnetiskt ögonblick lika med noll, så att atomens magnetiska dipolmoment helt berodde på elektronens snurr, ett nytt kvantnummer som skulle introduceras 1925 av George Uhlenbeck och Samuel Goudsmit.
Stern-Gerlach-experimentet, en tidig triumf av molekylstrålemetoden, som erbjuder andra än spektroskopiska bevis för att kvantobjekt uppvisar beteende som är oförenligt med klassisk fysik, hade bedövat och fascinerat Rabi som student, när han fortfarande var skeptisk till kvantteorin. Han blev övertygad om att det system av tankar som ligger bakom Bohr-atomen och försöken att utvidga dessa tankar till andra atomfenomen var välgrundade och började studera och diskutera med sina vänner alla papper som gradvis skulle införlivas i den formella strukturen i den nya kvantmekaniken.
när han arbetade med Nishina och Pauli på teoretiskt arbete tillbringade han lite tid i Sterns laboratorium och genomförde framgångsrikt det som blev hans första molekylstråleexperiment. Magnetfältkonfigurationen som han utformade för att avböja strålpartiklarna blev känd som Rabi-fältet. Rabis arbete i Sterns laboratorium var avgörande för att vända sitt intresse mot molekylär strålforskning.
efter Hamburg åkte Rabi till Leipzig för att arbeta med Werner Heisenberg, men under tiden lämnade Pauli Hamburg för en stol i Zurich och i mars 1929 följde Rabi och Robert Oppenheimer, som han träffade för första gången i Leipzig, honom till Zurich. Återigen var det ett underbart tillfälle att bekanta sig med några av de finaste sinnena inom fysiken, men hans vistelse i Zurich slutade när Rabi i slutet av mars fick en kabel från Columbia University och erbjöd honom en föreläsning vid fysikavdelningen. De letade efter en teoretisk fysiker, som kunde undervisa den nya kvantmekaniken och Heisenberg själv, under ett besök i Columbia, hade starkt rekommenderat Rabi för en sådan position. Han accepterade snabbt, och den 1 augusti 1929 lämnade han Europa med sin unga fru. Hans vetenskapliga lärlingstid hade slutat, han hade utvecklat en ny medvetenhet och kunskap om fysik vid själva källorna till den nya kvantmekaniken.
molekylära strålar för att undersöka kärnan
Rabi ägnade sitt första år på Columbia som föreläsare uteslutande till den ansträngande ansträngningen att undervisa de mest avancerade kurserna på institutionen. Således började hans genomgripande inflytande på Amerikansk fysik. Under de följande två åren gjorde han teoretisk forskning i fast tillståndsfysik, men hans tankar riktades ofta till molekylära strålar.
1931 försökte Harold Urey, rabis Columbia-kollega, bestämma natriumkärnspinn genom en analys av dess spektrum, med ofullständiga resultat. Vid den tiden inspirerade hans långvariga engagemang i isotopforskning honom att söka efter Deuterium, väte-2-isotopen, vars existens han faktiskt tillkännagav i den fysiska granskningen på nyårsdagen 1932. För denna upptäckt tilldelades Urey sedan Nobelpriset i kemi 1934. Bara sju veckor senare tillkännagav James Chadwick den ”möjliga existensen av en neutron”, en grundläggande upptäckt som officiellt öppnade kärntiden.
men 1931 var neutronen ännu inte där och atomkärnan var fortfarande en terra incognita, ett outforskat territorium som snart skulle bli domänen för rabis vetenskapliga äventyr. Rabi såg att molekylstråletekniken kunde användas för att ta itu med utmaningen som erbjuds av osäkerheten relaterad till natriumkärnspinn. Det kan ge tillgång till grundläggande frågor relaterade till både kvantvärlden och kärnvärlden. Rabi ville mäta det magnetiska ögonblicket hos en kärna på det sätt som Stern hade mätt det magnetiska ögonblicket hos en silveratom. Men många förbättringar krävdes för att omvandla det grundläggande Stern-Gerlach-experimentet till en teknik som kunde användas för kvantitativa mätningar.
i princip kunde kärnmagnetiska egenskaper bestämmas genom analys av atomspektra, men på grund av minutstorleken på kärnmomenten – tre storleksordningar mindre än deras elektroniska motsvarigheter – var experimentella tekniker ansträngda till gränsen och det var ganska svårt att få denna typ av information via spektroskopi. Tillämpning av ett experiment av typen Stern-Gerlach vid mätning av kärnmagnetiska egenskaper skulle ge en oberoende kontroll av de svåra spektroskopiska metoderna och samtidigt ge tillgång till kärndata som annars inte var tillgängliga.
med Gregory Breit, hans kollega från New York University, hade Rabi inrättat ett gemensamt seminarium för att utforska och diskutera atomkärnfenomen. År 1931 utvecklade de en formel som visade variationen av en atoms magnetiska moment för de olika Zeeman-nivåerna av hyperfinstruktur under påverkan av ett yttre magnetfält. Strålmetoden kan således användas för att undersöka atomernas kärnmagnetiska egenskaper.
med Victor Cohen, hans första doktorand, började Rabi sitt banbrytande experimentella arbete med exakt mätning av kärnkraftsegenskaper, vilket förde honom till spetsen för kärnfysik under det följande decenniet. Genom att variera de avböjande fälten längs den väg som korsas av natriumatomerna delades strålen upp i enskilda strålar i var och en av vilka natriumatomerna var i samma hyperfina kvanttillstånd. Det totala antalet strålar berodde på natriumkärnspinnningen, därför var allt de behövde göra att räkna antalet strålar som observerades vid detektorn. Härav kunde de dra slutsatsen att natriumkärnspinnet är 3/2, men i många månader kommunicerade de inte sina resultat, och de första experimentella resultaten publicerades först i mars 1933.
samma år 1933 hade Stern och hans grupp mätt protonens magnetiska ögonblick, vilket visade sig vara ungefär 2,8 gånger större än vad Paul Diracs 1928-teori tycktes förutsäga. Detta oväntade resultat var faktiskt en stor upptäckt. Upptäckten av elektronens snurr hade varit av första betydelse för att få en förståelse för atomstrukturen. På samma sätt förväntades att en kunskap om protonens magnetiska ögonblick skulle spela en liknande roll inom kärnstrukturen.
den grundläggande karaktären hos mätningarna av Stern och hans medarbetare fick Rabi att sätta upp sitt eget experiment för att mäta protonens – såväl som deuterons – magnetiska ögonblick. Med två postdoktorer, JMB Kellog och Jerrold R. Zacharias, började Rabi snabbt sätta upp ett experiment vid Columbia University för att mäta protonens magnetiska ögonblick genom att tillämpa Breit-Rabi-teorin.
resultat som publicerades 1934 indikerade ett ännu större värde än Sterns överraskande resultat. Ytterligare försök som utfördes 1936 utnyttjade en ny metod med två avböjande magneter som varje strålpartikel passerade i följd. Efter att ha avböjts i det första inhomogena magnetfältet skulle både snabba och långsamma atomer fokuseras in i detektorn av det andra inhomogena fältet, vilket undviker komplikationer associerade med strålpartiklarnas distribuerade hastigheter. Mellan de två avböjande magneterna fanns ett nytt statiskt, T-format fält. Strålar som passerar genom det statiska fältet såg ekvivalenten av ett roterande eller oscillerande magnetfält, som utövade en tippkraft på det magnetiska ögonblicket, vilket gjorde att det vänder från en orientering till en annan när det uppenbara fältet hade en vinkelhastighet ungefär lika med Larmor-precessionsfrekvensen för det magnetiska ögonblicket om magnetfältet. Studien av dessa stimulerade övergångar mellan magnetiska tillstånd hos väteatomen tillät för första gången att bestämma att protonens och deuterons magnetiska moment är positiva. Effekten av detta nya arrangemang var att det förbättrade de experimentella resultaten kraftigt, vilket minskade osäkerheten i det uppmätta värdet av protonens magnetiska moment från 10 procent till 5 procent och 4 procent istället för 26 procent för deuteron. Men inte bara gav dessa resultat bättre värden och tecken på ögonblicket, men också neutronens magnetiska ögonblick.
Magnetresonansmetoden
under större delen av 1930-talet Rabi och hans medarbetare, som vid denna tid också inkluderade Polykarp Kusch, Sydney Millmann och Norman Ramsey, fortsatte att undersöka de två första isotoperna av väteatomen. Vid planeringen av ett tredje experiment designades en apparat som mycket liknade den som användes i föregående experiment, men i en något modifierad form. De två starka inhomogena avböjningsfälten inrättades igen för att avböja strålpartiklar i motsatta riktningar, och fältstyrkan hos den andra magneten sattes för att exakt ångra vad den första magneten gjorde, det vill säga att fokusera om strålpartiklarna i detektorn. Om dessa två fält ensamma verkade på strålen skulle antalet upptäckta atomer vara detsamma som om det inte fanns några fält närvarande, eftersom det andra fältet skulle kompensera exakt det första fältets verkan.
den verkliga nyheten i detta experiment var att det tredje enkla statiska t-fältet kompletterades med en svag fältkomponent överlagrad i rät vinkel mot det starka konstanta homogena fältet och oscillerande vid en justerbar radiofrekvens. Denna oscillerande komponent kan ändra orienteringen av de precesserande atomerna som inducerar övergångar (vändning) av de magnetiska momenten strax innan de kom in i det andra konstanta inhomogena fältet.
i full analogi med resonansabsorptionen av synligt ljus kan övergångar till olika kvanttillstånd ske från en Zeeman hyperfin nivå till en annan om det växlande fältet uppfyllde Bohrs frekvensförhållande för energiskillnaden mellan de två nivåerna. Men istället för optiska frekvenser handlade man här normalt med frekvenser i radioområdet, eftersom skillnaderna mellan energinivåerna är mycket små. Varje molekyl såg många cykler med samma frekvens och sannolikheten för en övergång förbättrades således. När Larmor-precessionsfrekvensen i det statiska fältet matchar frekvensen för det oscillerande fältet, vänder många atomer till en annan orientering och missar detektorn. I detta fall registrerar detektorn ett markerat resonansminimum, varvid frekvenspositionen för detta minimum bestäms med den extraordinära precision som kan uppnås med radiofrekvensmätaren. När Larmor-frekvensen inte längre är i resonans med frekvensen för det oscillerande fältet, fokuseras atomerna alla in i detektorn, och signalen är återigen stor.
detta var kärnan i magnetresonansmetoden, den mest signifikanta förbättringen av molekylära och atomstråletekniker, som tydligt erbjöd oöverträffad noggrannhet vid upprättandet av radiorelationer med elektronens och atomkärnans Värld. Dess mest direkta tillämpning var mätningen av kärnmagnetiska ögonblick. Grunden för detta är resonansförhållandet f=(uhh)/Ih, i vilket f är frekvensen av precession av kärnspinnets axel i ett magnetfält av styrka H och UH är kärnans magnetiska moment. Numret i är kärnspinnkvantumtalet, ett heltal eller ett halvtal, och h är Plancks konstant. Precessionsfrekvensen, när den detekteras, mäts lätt med hög noggrannhet, och sålunda kan man bestämma kvantiteten Bisexuell/Ih, och det magnetiska ögonblicket kan hittas om spinnet är känt. Därför, om frekvensen hos det oscillerande fältet långsamt varieras, uppträder en kraftig minskning (resonansfenomenet) i antalet atomer som anländer till detektorn när fältets frekvens är lika med Larmor-frekvensen. Varje sådan resonans ger sedan ett värde av förhållandet GHz / Ih och följaktligen av det magnetiska ögonblicket.
den första kärnmagnetiska resonanskurvan skickades till fysisk Granskning den 15 januari 1938. Mätningar på väte med resonansmetoden fortsatte i slutet av våren 1938. Som förutsagt observerades två starka resonanser med molekylen HD, varav en var associerad med protonen, den andra med deuteron. Båda dessa resonansabsorptioner gjorde det möjligt att bestämma de magnetiska momenten hos både protonen och deuteron med förbättrad precision. Emellertid presenterade både molekylerna H2 och D2 ett mönster av olika absorptioner, istället för den enda, starka smala resonansen som gruppen förväntade sig. En ny apparat avslöjade detaljerna i det multipla resonansmönstret, men teorin redogjorde inte för de erhållna data, och Rabi insåg snart att detta kan bero på förekomsten av en annan oväntad egenskap hos deuteron: ett litet men ändligt elektriskt fyrpoligt ögonblick, vilket är ett mått på lägsta ordningens avvikelse från en sfärisk laddningsfördelning. Denna långtgående upptäckt, som tillkännagavs 1940, var en ganska överraskning. Det tvingade omedelbart teoretiker att avstå från de centrala krafter som antas binda neutronen och protonen tillsammans och att erkänna att kärnkrafter är mycket mer komplexa än de första kärnmodellerna i början av 1930-talet hade antagit.
efter klyftan i Nobelprisets årliga följd, på grund av andra världskriget, var det inte förrän hösten 1944 som Kungliga Vetenskapsakademien meddelade att priset för 1943 skulle delas ut till Otto Stern, ”för hans bidrag till utvecklingen av molekylstrålemetoden och hans upptäckt av protonens magnetiska ögonblick”, och det för 1944 till Isidor Rabi, ”för hans resonansmetod för registrering av atomkärnans magnetiska egenskaper”.
efter andra världskriget blev kärnmagnetisk resonans (NMR) en arbetshäst för fysisk och kemisk analys. Ännu senare utvidgades rabis upptäckt till Magnetic Resonance Imaging (MRI), ett kraftfullt medicinskt diagnostiskt verktyg, som nu används i medicinska centra över hela världen. Under de följande decennierna har molekylstrålemetoden antagits allmänt av fysik-och fysikkemisamhällena över hela världen, och cirka 20 Nobelpriser delades ut för arbete baserat på molekylstrålemetoden; bland dem fanns Kusch och Ramsey, två av rabis tidigare medarbetare.
bibliografi
Krige, J. (2005) Isidor I. Rabi och CERN. Fysik i Perspektiv 7: 150-164
Rabi, I. I., Intervju av Thomas S. Kuhn, 8 December 1963. Niels Bohr Library \& Arkiv, American Institute of Physics, College Park, MD USA, http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html
Rigden, JS (1983) molekylära Strålexperiment på väten under 1930-talet. Historiska studier i fysik 13(2): 335-373
Rigden, JS (2008) Rabi, Isidor Isaac. I fullständig ordbok för vetenskaplig biografi. Vol. 24. Detroit: Charles Scribners söner, Detroit. s. 191-197. Gale virtuellt referensbibliotek
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): Grundaren av experimentell atomfysik. Annalen der Physik 523 (12): 1045-1070
Wasson T. (ed) (1987) Rabi, I. I. I Nobelprisvinnare, H. W. Wilson Company, New York, s. 847-849