Rabi og magnetisk resonans
af Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) blev tildelt Nobelprisen for Fysik i 1944 for at udvikle en “resonansmetode til registrering af atomkernernes magnetiske egenskaber”. Hans omfattende forskning ved Columbia University om undersøgelser af arten af den kraft, der holder atomkerner sammen, førte til oprettelsen af molekylærstråle magnetisk resonansdetekteringsmetode. Ved hjælp af dette system var fysikere endelig i stand til at opdage og måle magnetiske øjeblikke af kernerne. “De nøjagtige målinger, der blev givet ved denne metode, muliggjorde sådanne efterfølgende anvendelser som atomuret…og laseren såvel som den nukleare magnetiske resonansbilleddannelse, der blev brugt i diagnostisk medicin.. Rabi ‘ s metode gav den centrale teknik til stort set alle molekylære og atomstråleeksperimenter.”1
Rabi blev født i Raymanov, Østrig, den 29.juli 1898. Han dimitterede fra Cornell University med en Bachelor i kemi i 1919 og modtog sin ph. d. i fysik fra Columbia University i 1927. Hans arbejde fokuserede på de magnetiske egenskaber ved krystaller og fik ham til at tilbringe to år i Europa og samarbejde på forskellige tidspunkter med nogle af dagens store forskere, herunder Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Ulvgang Pauli, Otto Stern og Heisenberg. Da han kom tilbage i 1929, blev Rabi udnævnt til lektor i Teoretisk Fysik ved Columbia University og steg på mindre end 10 år til rang af fuld professor.
i 1930 ‘ erne vidste fysikere, at atomkernen er sammensat af to typer partikler, positivt ladede protoner og neutrale partikler kaldet neutroner. Omkring kernen er en sky af negativt ladede elektroner. Fysikere havde opdaget, at elektroner, protoner og neutroner opfører sig som om de spinder om deres akser. Dette resulterer i en egenskab kaldet spin vinkelmoment, som genererer et magnetfelt og et tilknyttet “magnetisk øjeblik”, hvor partiklerne fungerer som små stangmagneter med Nord-og sydpoler. Når det placeres i et stærkt eksternt magnetfelt, har det “magnetiske øjeblik” af en kerne en tendens til at tilpasse sig eller mod det eksterne felt, ligesom vi observerer almindelige stangmagneter til at opføre sig. 2
Rabi forudsagde, at de magnetiske øjeblikke af kerner kunne induceres til at vende deres magnetiske orientering, hvis de absorberede energi fra en elektromagnetisk bølge med den rigtige frekvens. De ville også udsende den samme mængde energi ved at falde tilbage til den lavere energiorientering, og Rabi ville være i stand til at opdage denne overgang fra den ene energitilstand til den anden. Han kaldte denne metode molekylær stråle magnetisk resonans.
Rabis eksperimenter involverede at føre en stråle af lithiumchloridmolekyler gennem et vakuumkammer og manipulere strålen med forskellige magnetfelter. For at provokere kernernes magnetiske øjeblikke til at vende badede han molekylstrålen i radiobølger, mens han varierede magnetfeltstyrken. Denne brug af forskellige radiobølger blev foreslået af den hollandske fysiker Cornelius J. Gorter.3
ved at justere det eksterne magnetfelt og radiofrekvensen var han faktisk i stand til at observere magnetisk resonansabsorption. Kernens magnetiske øjeblik ændrede retning, og da hvert atom eller molekyle har et karakteristisk mønster af resonansfrekvenser, indså Rabi, at han kunne detektere en række resonanser i forskellige molekyler, der kunne bruges til at identificere typen af atom eller molekyle og i sidste ende give mere detaljer i molekylær struktur.4
i 1946 fandt Eduard Purcell og Feliks Bloch uafhængigt en måde at studere de magnetiske resonansegenskaber af atomer og molekyler i faste stoffer og væsker i stedet for individuelle atomer eller molekyler som i Rabi ‘ s molekylærstrålemetode. Senere blev kernemagnetisk resonans videreudviklet til billeddannelsesteknikken, der nu ofte bruges til medicinsk diagnose. De første billeder blev produceret i begyndelsen af 1970 ‘ erne, og det første levende menneskelige emne blev afbildet i 1977. MR-maskiner blev kommercielt tilgængelige i 1980 ‘ erne og bruges nu ofte til billeddannelse af indre kropsstrukturer, især blødt væv som hjernen.
kort før han døde i januar 1988 blev Rabi afbildet i en MR-maskine. “Det var uhyggeligt. Jeg så mig selv i den maskine, ” sagde han. “Jeg troede aldrig, at mit arbejde ville komme til dette.”
mens Rabi største arv er opdagelsen af magnetisk resonans som måde at se inde og identificere atomer, er han også krediteret med at hjælpe med udviklingen af radar, skabe begrebet CERN, den Europæiske Organisation for nuklear forskning i Geneve, og som en af grundlæggerne af Brookhaven National Laboratory, i Upton, NY.5
Copyright Kirsten Alaina G. Levine, 2008.
1 “Isidor Isaac Rabi.”Encyclopedia Britannica. 2008. 29 Aug. 2008. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/487952/Isidor-Isaac-Rabi.
2 “A Life-Saving Window on the Mind and Body: The Development of Magnetic Resonance Imaging,” Beyond Discovery, The National Academies.
3 Ibid.
4 “Isidor Rabi: Scientists and Citizen,” by John S. Rigden, APS News, July 1998.
5 “Isidor Isaac Rabi.” Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica Online. 02 Sep. 2008.
