Rabi et résonance magnétique
Par Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) Prix Nobel de physique en 1944 pour avoir développé une « méthode de résonance pour enregistrer les propriétés magnétiques des noyaux atomiques ». Ses recherches approfondies à l’Université Columbia sur la nature de la force qui maintient les noyaux atomiques ensemble ont conduit à la création de la méthode de détection par résonance magnétique par faisceau moléculaire. Grâce à ce système, les physiciens ont finalement pu détecter et mesurer les moments magnétiques des noyaux. « Les mesures précises obtenues par cette méthode ont permis des applications ultérieures telles que l’horloge atomique… et le laser, ainsi que l’imagerie par résonance magnétique nucléaire utilisée en médecine diagnostique.. La méthode de Rabi a fourni la technique centrale pour pratiquement toutes les expérimentations de faisceaux moléculaires et atomiques. »1
Rabi est né à Raymanov, en Autriche, le 29 juillet 1898. Il est diplômé de l’Université Cornell avec un baccalauréat en chimie en 1919, et a reçu son doctorat. en physique de l’Université Columbia en 1927. Ses travaux se sont concentrés sur les propriétés magnétiques des cristaux et l’ont amené à travailler pendant deux ans en Europe, collaborant à différents moments avec certains des grands scientifiques de l’époque, notamment Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Otto Stern et Werner Heisenberg. À son retour en 1929, Rabi a été nommé professeur de physique théorique à l’Université Columbia et, en moins de 10 ans, a atteint le rang de professeur titulaire.
Dans les années 1930, les physiciens savaient que le noyau atomique est composé de deux types de particules, des protons chargés positivement et des particules neutres appelées neutrons. Autour du noyau se trouve un nuage d’électrons chargés négativement. Les physiciens avaient découvert que les électrons, les protons et les neutrons se comportaient comme s’ils tournaient autour de leurs axes. Il en résulte une propriété appelée moment angulaire de spin, qui génère un champ magnétique et un « moment magnétique » associé, dans lequel les particules agissent comme de minuscules barres magnétiques aux pôles nord et sud. Lorsqu’il est placé dans un fort champ magnétique externe, le « moment magnétique » d’un noyau a tendance à s’aligner avec ou contre le champ externe, tout comme nous observons le comportement des aimants à barres ordinaires. 2
Rabi a prédit que les moments magnétiques des noyaux pourraient être induits à retourner leur orientation magnétique s’ils absorbaient l’énergie d’une onde électromagnétique de la bonne fréquence. Ils émettraient également cette même quantité d’énergie en retombant dans l’orientation énergétique inférieure, et Rabi serait capable de détecter cette transition d’un état énergétique à l’autre. Il a appelé cette méthode la résonance magnétique par faisceau moléculaire.
Les expériences de Rabi consistaient à faire passer un faisceau de molécules de chlorure de lithium à travers une chambre à vide et à manipuler le faisceau avec différents champs magnétiques. Pour provoquer le retournement des moments magnétiques des noyaux, il a baigné le faisceau moléculaire dans des ondes radio tout en faisant varier l’intensité du champ magnétique. Cette utilisation d’ondes radio variables a été suggérée par le physicien néerlandais Cornelius J. Gorter.3
En ajustant le champ magnétique externe et la fréquence radio, il a en effet pu observer l’absorption par résonance magnétique. Le moment magnétique des noyaux a changé de direction, et comme chaque atome ou molécule a un motif caractéristique de fréquences de résonance, Rabi s’est rendu compte qu’il pouvait détecter une série de résonances dans différentes molécules qui pourraient être utilisées pour identifier le type d’atome ou de molécule et finalement donner plus de détails sur la structure moléculaire.4
En 1946, Edward Purcell et Felix Bloch ont indépendamment trouvé un moyen d’étudier les propriétés de résonance magnétique des atomes et des molécules dans les solides et les liquides, au lieu d’atomes ou de molécules individuels comme dans la méthode du faisceau moléculaire de Rabi. Plus tard, la résonance magnétique nucléaire a été développée dans la technique d’imagerie qui est maintenant couramment utilisée pour le diagnostic médical. Les premières images ont été produites au début des années 1970, et le premier sujet humain vivant a été imagé en 1977. Les appareils d’IRM sont devenus disponibles dans le commerce dans les années 1980 et sont maintenant couramment utilisés pour l’imagerie des structures internes du corps, en particulier des tissus mous comme le cerveau.
Peu de temps avant sa mort en janvier 1988, Rabi a été photographié dans un appareil d’IRM. » C’était étrange. Je me suis vu dans cette machine « , a-t-il déclaré. » Je n’aurais jamais pensé que mon travail aboutirait à cela. »
Alors que le plus grand héritage de Rabi est la découverte de la résonance magnétique comme moyen de voir à l’intérieur et d’identifier les atomes, il est également crédité d’avoir contribué au développement du radar, en créant le concept du CERN, l’Organisation européenne pour la Recherche nucléaire à Genève, en Suisse (et maintenant le plus grand laboratoire de physique des particules au monde), et comme l’un des fondateurs du Laboratoire national de Brookhaven, à Upton, dans l’État de New York.5
Droits d’auteur © Alaina G. Levine, 2008.
1″ Isidor Isaac Rabi. » Encyclopædia Britannica. 2008. 29 Août 2008. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/487952/Isidor-Isaac-Rabi.
2 » Une fenêtre Salvatrice sur l’Esprit et le Corps: le développement de l’Imagerie par Résonance Magnétique « , Au-delà de la Découverte, Les Académies Nationales.
3 Ibid.
4 « Isidor Rabi: Scientifiques et citoyens », par John S. Rigden, APS News, juillet 1998.
5′ Isidor Isaac Rabi. » Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica En ligne. 02 Sept. 2008.
