Rabi und Magnetresonanz
Von Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) wurde mit dem Nobelpreis für Physik 1944 für die Entwicklung einer „Resonanzmethode zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen“. Seine umfangreiche Forschung an der Columbia University über Untersuchungen zur Natur der Kraft, die Atomkerne zusammenhält, führte zur Entwicklung der Molekularstrahl-Magnetresonanz-Nachweismethode. Mit diesem System konnten Physiker schließlich magnetische Momente der Kerne erkennen und messen. „Die präzisen Messungen dieser Methode ermöglichten spätere Anwendungen wie die Atomuhr … und den Laser sowie die Kernspinresonanztomographie in der diagnostischen Medizin.. Rabis Methode lieferte die zentrale Technik für praktisch alle molekularen und atomaren Strahlexperimente.“1
Rabi wurde am 29.Juli 1898 in Raymanov, Österreich, geboren. Er studierte an der Cornell University mit einem Bachelor in Chemie im Jahr 1919 und erhielt seinen Ph.D. in Physik von der Columbia University im Jahr 1927. Seine Arbeit konzentrierte sich auf die magnetischen Eigenschaften von Kristallen und führte ihn dazu, zwei Jahre in Europa zu arbeiten und zu verschiedenen Zeiten mit einigen der großen Wissenschaftler dieser Zeit zusammenzuarbeiten, darunter Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Otto Stern und Werner Heisenberg. Nach seiner Rückkehr im Jahr 1929 wurde Rabi Dozent für Theoretische Physik an der Columbia University ernannt, und in weniger als 10 Jahren stieg in den Rang eines ordentlichen Professors.
In den 1930er Jahren wussten Physiker, dass der Atomkern aus zwei Arten von Teilchen besteht, positiv geladenen Protonen und neutralen Teilchen, die Neutronen genannt werden. Um den Kern herum befindet sich eine Wolke negativ geladener Elektronen. Physiker hatten entdeckt, dass sich Elektronen, Protonen und Neutronen so verhalten, als würden sie sich um ihre Achse drehen. Dies führt zu einer Eigenschaft namens Spin-Drehimpuls, die ein Magnetfeld und ein damit verbundenes „magnetisches Moment“ erzeugt, in dem die Teilchen wie winzige Stabmagnete mit Nord- und Südpol wirken. Wenn es in ein starkes äußeres Magnetfeld gebracht wird, neigt das „magnetische Moment“ eines Kerns dazu, sich mit oder gegen das äußere Feld auszurichten, so wie wir beobachten, wie sich gewöhnliche Stabmagnete verhalten. 2
Rabi sagte voraus, dass die magnetischen Momente von Kernen induziert werden könnten, um ihre magnetische Orientierung umzukehren, wenn sie Energie von einer elektromagnetischen Welle der richtigen Frequenz absorbieren. Sie würden auch die gleiche Menge an Energie emittieren, wenn sie in die niedrigere Energieorientierung zurückkehren, und Rabi wäre in der Lage, diesen Übergang von einem Energiezustand in den anderen zu erkennen. Er nannte diese Methode Molekularstrahl-Magnetresonanz.
Rabis Experimente beinhalteten, einen Strahl von Lithiumchloridmolekülen durch eine Vakuumkammer zu leiten und den Strahl mit verschiedenen Magnetfeldern zu manipulieren. Um die magnetischen Momente der Kerne zum Kippen zu bringen, badete er den Molekülstrahl in Radiowellen und variierte dabei die Magnetfeldstärke. Diese Verwendung variierender Radiowellen wurde vom niederländischen Physiker Cornelius J. Gorter vorgeschlagen.3
Durch Einstellen des äußeren Magnetfeldes und der Radiofrequenz konnte er tatsächlich die Magnetresonanzabsorption beobachten. Das magnetische Moment der Kerne änderte die Richtung, und da jedes Atom oder Molekül ein charakteristisches Muster von Resonanzfrequenzen aufweist, erkannte Rabi, dass er eine Reihe von Resonanzen in verschiedenen Molekülen nachweisen konnte, mit denen die Art des Atoms oder Moleküls identifiziert werden konnte und letztendlich mehr Details in die Molekülstruktur.4
1946 fanden Edward Purcell und Felix Bloch unabhängig voneinander einen Weg, die Magnetresonanzeigenschaften von Atomen und Molekülen in Festkörpern und Flüssigkeiten anstelle einzelner Atome oder Moleküle wie in Rabis Molekularstrahlmethode zu untersuchen. Später wurde die Kernspinresonanz zu der bildgebenden Technik weiterentwickelt, die heute häufig für die medizinische Diagnose verwendet wird. Die ersten Bilder wurden in den frühen 1970er Jahren produziert, und das erste lebende menschliche Subjekt wurde 1977 abgebildet. MRT-Geräte wurden in den 1980er Jahren kommerziell verfügbar und werden heute häufig zur Abbildung innerer Körperstrukturen, insbesondere von Weichteilen wie dem Gehirn, verwendet.
Kurz vor seinem Tod im Januar 1988 wurde Rabi in einem MRT-Gerät abgebildet. „Es war unheimlich. Ich habe mich in dieser Maschine gesehen „, sagte er. „Ich hätte nie gedacht, dass meine Arbeit so weit kommen würde.“
Während Rabis größtes Vermächtnis die Entdeckung der Magnetresonanz ist, um Atome zu sehen und zu identifizieren, wird ihm auch zugeschrieben, bei der Entwicklung von Radar geholfen zu haben, das Konzept von CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in Genf, Schweiz (und jetzt das weltweit größte Teilchenphysiklabor), und als einer der Gründer des Brookhaven National Laboratory in Upton, NY.5
Urheberrecht © Alaina G. Levine, 2008.
1 „Isidor Isaac Rabi.“ Encyclopædia Britannica. 2008. 29 Aug. 2008. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/487952/Isidor-Isaac-Rabi.
2 „Ein lebensrettendes Fenster für Geist und Körper: die Entwicklung der Magnetresonanztomographie“, Jenseits der Entdeckung, Die Nationalen Akademien.
3 Ebd.
4 „Isidor Rabi: Wissenschaftler und Bürger“ von John S. Rigden, APS News, Juli 1998.
5 ‚ Isidor Isaak Rabi.“Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica Online. 02 September. 2008.
