Rabi ja magneettikuvaus
Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) sai Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1944 ”Resonanssimenetelmän kehittämisestä atomiytimien magneettisten ominaisuuksien tallentamiseksi”. Hänen Columbian yliopistossa suorittamansa laaja tutkimus atomiytimiä koossa pitävän voiman luonteesta johti molekyylisäteen magneettiresonanssin havaintomenetelmän luomiseen. Tämän järjestelmän avulla fyysikot pystyivät lopulta havaitsemaan ja mittaamaan ytimien magneettisia momentteja. ”Tällä menetelmällä saadut tarkat mittaukset tekivät mahdolliseksi sellaiset myöhemmät Sovellukset kuin atomikello – – ja laser sekä diagnostisessa lääketieteessä käytetty ydinmagneettinen resonanssikuvaus.. Rabin menetelmä tarjosi keskeisen tekniikan lähes kaikkiin molekyyli-ja atomisuihkukokeisiin.”1
Rabi syntyi Raymanovissa Itävallassa 29. heinäkuuta 1898. Hän valmistui Cornellin yliopistosta kemian kandidaatiksi vuonna 1919 ja väitteli tohtoriksi. fysiikassa Columbian yliopistosta vuonna 1927. Hänen työnsä keskittyi kiteiden magneettisiin ominaisuuksiin, ja sai hänet viettämään kaksi vuotta työskennellessään Euroopassa, tehden eri aikoina yhteistyötä joidenkin tuon ajan suurten tiedemiesten kanssa, kuten Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Otto Stern ja Werner Heisenberg. Palattuaan vuonna 1929 Rabi nimitettiin Columbian yliopiston teoreettisen fysiikan lehtoriksi, ja hän kohosi vajaan 10 vuoden kuluttua varsinaiseksi professoriksi.
1930-luvulla fyysikot tiesivät, että atomiydin koostuu kahdentyyppisistä hiukkasista, positiivisesti varautuneista protoneista ja neutraaleista hiukkasista, joita kutsutaan neutroneiksi. Ytimen ympärillä on negatiivisesti varautuneiden elektronien pilvi. Fyysikot olivat havainneet, että elektronit, protonit ja neutronit käyttäytyvät ikään kuin ne pyörisivät akselinsa ympäri. Tällöin syntyy pyörimisliikemomentiksi kutsuttu ominaisuus, joka synnyttää magneettikentän ja siihen liittyvän ”magneettisen momentin”, jossa hiukkaset toimivat kuin pienet tankomagneetit Pohjois-ja etelänavalla. Kun ydin asetetaan voimakkaaseen ulkoiseen magneettikenttään, sen ”magneettinen momentti” pyrkii asettumaan ulkoisen kentän kanssa tai sitä vastaan, aivan kuten havaitsemme tavallisten tankomagneettien käyttäytyvän. 2
Rabi ennusti, että ytimien magneettiset momentit voisivat indusoitua kääntämään magneettista suuntaansa, jos ne absorboisivat energiaa oikean taajuisesta sähkömagneettisesta aallosta. Ne myös päästäisivät saman määrän energiaa palatessaan alemmalle energiasuuntautuneisuudelle, ja Rabi kykenisi havaitsemaan tämän siirtymisen energiatilasta toiseen. Hän kutsui tätä menetelmää molekyylisuihkumagneettiseksi resonanssiksi.
Rabin kokeisiin kuului litiumkloridimolekyylien säteen kuljettaminen tyhjökammion läpi ja säteen manipulointi erilaisilla magneettikentillä. Herättääkseen ytimien magneettiset momentit kääntymään hän kylvetti molekyylisäteen radioaalloilla vaihtaen samalla magneettikentän voimakkuutta. Tätä vaihtelevien radioaaltojen käyttöä ehdotti Hollantilainen fyysikko Cornelius J. Gorter.3
säätämällä ulkoista magneettikenttää ja radiotaajuutta hän pystyi itse asiassa tarkkailemaan magneettiresonanssiabsorptiota. Ytimien magneettinen momentti muutti suuntaa, ja koska jokaisella atomilla tai molekyylillä on tyypillinen resonanssitaajuuksien kuvio, Rabi tajusi, että hän voisi havaita sarjan resonansseja eri molekyyleissä, joita voitaisiin käyttää atomin tai molekyylin tyypin tunnistamiseen ja lopulta yksityiskohtaisemmin molekyylirakenteeseen.4
vuonna 1946 Edward Purcell ja Felix Bloch löysivät itsenäisesti tavan tutkia atomien ja molekyylien magneettiresonanssiominaisuuksia kiinteissä ja nesteissä yksittäisten atomien tai molekyylien sijaan kuten Rabin molekyylisuihkumenetelmässä. Myöhemmin ydinmagneettisesta resonanssista kehitettiin edelleen kuvantamistekniikka, jota nykyään käytetään yleisesti lääketieteellisessä diagnosoinnissa. Ensimmäiset kuvat tehtiin 1970-luvun alussa, ja ensimmäinen elävä ihmiskohde kuvattiin vuonna 1977. MAGNEETTIKUVAUSKONEET tulivat kaupallisesti saataville 1980-luvulla, ja nykyään niitä käytetään yleisesti kehon sisäisten rakenteiden, erityisesti aivojen pehmytkudosten kuvaamiseen.
hieman ennen kuolemaansa tammikuussa 1988 Rabi kuvattiin MAGNEETTIKUVAUSLAITTEESSA. ”Se oli aavemaista. Näin itseni siinä koneessa”, hän sanoi. ”En koskaan uskonut, että työni tulisi tähän.”
vaikka Rabin suurin perintö on magneettiresonanssin keksiminen atomien sisään näkemiseksi ja tunnistamiseksi, hänen ansiotaan on myös tutkan kehittämisessä, luoden käsitteen Cern, Euroopan Ydintutkimusjärjestö Genevessä, Sveitsissä (ja nyt maailman suurin hiukkasfysiikan laboratorio), ja yhtenä Brookhavenin kansallisen laboratorion perustajista Uptonissa, NY.5
Copyright © Alaina G. Levine, 2008.
1 ” Isidor Isaac Rabi.”Encyclopædia Britannica. 2008. 29.elokuuta. 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 sama.
4 Rigden John S., APS News, Isidor Rabi: Scientists and Citizen. heinäkuu 1998.
5 ’ Isidor Isaac Rabi.”Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica Verkossa. 02.9. 2008.
