Rabi en magnetische resonantie
door Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) kreeg in 1944 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de ontwikkeling van een “resonantiemethode voor het vastleggen van de magnetische eigenschappen van atoomkernen”. Zijn uitgebreide onderzoek aan de Columbia University naar de aard van de kracht die atoomkernen bij elkaar houdt, leidde tot de creatie van de moleculair-beam magnetic-resonance detection method. Met dit systeem konden natuurkundigen eindelijk magnetische momenten van de kernen detecteren en meten. “De precieze metingen die deze methode opleverde, maakten latere toepassingen mogelijk zoals de atoomklok…en de laser, evenals de kernspinresonantiebeeldvorming die in de diagnostische geneeskunde wordt gebruikt.. Rabi ‘ s methode leverde de centrale techniek voor vrijwel alle Moleculaire en atomaire straal experimenten.Rabi werd geboren op 29 juli 1898 in Raymanov, Oostenrijk. Hij studeerde af aan Cornell University met een Bachelor in chemie in 1919, en ontving zijn Ph. D. in de natuurkunde van Columbia University in 1927. Zijn werk richtte zich op de magnetische eigenschappen van kristallen en bracht hem ertoe om twee jaar in Europa te werken, waarbij hij op verschillende momenten samenwerkte met enkele van de grote wetenschappers van die tijd, waaronder Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Otto Stern en Werner Heisenberg. Bij zijn terugkeer in 1929, Rabi werd benoemd tot docent in de theoretische natuurkunde aan de Columbia University, en in minder dan 10 jaar, steeg tot de rang van gewoon hoogleraar.
in de jaren dertig wisten natuurkundigen dat de atoomkern bestaat uit twee soorten deeltjes, positief geladen protonen en neutrale deeltjes die neutronen worden genoemd. Rond de kern is een wolk van negatief geladen elektronen. Natuurkundigen hadden ontdekt dat elektronen, protonen en neutronen zich gedragen alsof ze rond hun assen draaien. Dit resulteert in een eigenschap genaamd spin angular momentum, die een magnetisch veld en een geassocieerd “magnetisch moment” genereert, waarin de deeltjes fungeren als kleine staafmagneten met Noord-en Zuidpool. Wanneer geplaatst in een sterk extern magnetisch veld, heeft het “magnetische moment” van een kern de neiging om uit te lijnen met of tegen het externe veld, net zoals we gewone staafmagneten observeren om zich te gedragen. 2
Rabi voorspelde dat de magnetische momenten van kernen hun magnetische oriëntatie zouden kunnen omkeren als ze energie absorbeerden van een elektromagnetische golf met de juiste frequentie. Ze zouden ook dezelfde hoeveelheid energie uitstoten door terug te vallen naar de lagere energie-oriëntatie, en Rabi zou in staat zijn om deze overgang van de ene energietoestand naar de andere te detecteren. Hij noemde deze methode moleculaire straal magnetische resonantie.Rabi ‘ s experimenten betroffen het doorlaten van een bundel lithiumchloridemoleculen door een vacuümkamer en het manipuleren van de bundel met verschillende magnetische velden. Om de magnetische momenten van de kernen te prikkelen, baadde hij de moleculaire bundel in radiogolven terwijl hij de magnetische veldsterkte varieerde. Dit gebruik van verschillende radiogolven werd gesuggereerd door de Nederlandse natuurkundige Cornelius J. Gorter.3
door het uitwendige magnetische veld en de radiofrequentie aan te passen, kon hij de absorptie van magnetische resonantie waarnemen. Het magnetische moment van de kernen veranderde van richting, en aangezien elk atoom of molecuul een karakteristiek patroon van resonantiefrequenties heeft, realiseerde Rabi zich dat hij een reeks resonanties in verschillende moleculen kon detecteren die gebruikt konden worden om het type atoom of molecuul te identificeren en uiteindelijk meer details te geven in moleculaire structuur.In 1946 vonden Edward Purcell en Felix Bloch onafhankelijk van elkaar een manier om de magnetische resonantie-eigenschappen van atomen en moleculen in vaste stoffen en vloeistoffen te bestuderen, in plaats van individuele atomen of moleculen zoals in Rabi ‘ s moleculaire straalmethode. Later, werd de nucleaire magnetische resonantie verder ontwikkeld in de weergavetechniek die nu algemeen voor medische diagnose wordt gebruikt. De eerste beelden werden geproduceerd in de vroege jaren 1970, en de eerste levende menselijke subject werd imaged in 1977. MRI-machines werden commercieel beschikbaar in de jaren 1980, en worden nu algemeen gebruikt voor beeldvorming interne lichaamsstructuren, vooral zachte weefsels zoals de hersenen.Kort voor zijn dood in januari 1988 werd Rabi afgebeeld in een MRI-apparaat. “Het was griezelig. Ik zag mezelf in die machine,” zei hij. “Ik had nooit gedacht dat mijn werk zo ver zou komen.Hoewel Rabi ’s grootste nalatenschap de ontdekking is van magnetische resonantie als manier om atomen te zien en te identificeren, wordt hij ook gecrediteerd met het helpen bij de ontwikkeling van radar, het creëren van het concept van CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek in Genève, Zwitserland (en nu’ s werelds grootste laboratorium voor deeltjesfysica), en als een van de oprichters van het Brookhaven National Laboratory, in Upton, NY.5
Copyright © Alaina G. Levine, 2008.
1 ” Isidor Isaac Rabi.”Encyclopædia Britannica. 2008. 29 Aug. 2008. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/487952/Isidor-Isaac-Rabi.”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,” door John S. Rigden, APS News, juli 1998.
5 ‘ Isidor Isaac Rabi.”Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica Online. 02 Sept. 2008.
