Rabi i rezonans magnetyczny
Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) został nagrodzony Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 1944 roku za opracowanie „metody rezonansowej rejestracji właściwości magnetycznych jąder atomowych”. Jego rozległe badania na Uniwersytecie Columbia na temat natury siły, która trzyma jądra atomowe razem doprowadziły do stworzenia metody wykrywania rezonansu magnetycznego z wiązką molekularną. Za pomocą tego systemu fizycy byli w końcu w stanie wykryć i zmierzyć momenty magnetyczne jąder. „Precyzyjne pomiary uzyskane tą metodą umożliwiły późniejsze zastosowania, takie jak zegar atomowy…i laser, a także jądrowy rezonans magnetyczny stosowany w medycynie diagnostycznej.. Metoda Rabiego zapewniała centralną technikę dla praktycznie wszystkich eksperymentów z wiązką molekularną i atomową.”1
Rabi urodził się 29 lipca 1898 roku w Raymanovie w Austrii. Ukończył Cornell University z licencjatem z chemii w 1919 roku i otrzymał doktorat. w fizyce na Uniwersytecie Columbia w 1927 roku. Jego praca koncentrowała się na magnetycznych właściwościach kryształów i skłoniła go do spędzenia dwóch lat pracy w Europie, współpracując w różnych czasach z niektórymi wielkimi naukowcami, w tym Arnoldem Sommerfeldem, Nielsem Bohrem, Wolfgangiem Pauli, Otto Sternem i Wernerem Heisenbergiem. Po powrocie w 1929 r. Rabi został mianowany wykładowcą Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie Columbia, a w ciągu niespełna 10 lat awansował do rangi profesora zwyczajnego.
w latach trzydziestych XX wieku fizycy wiedzieli, że jądro atomowe składa się z dwóch rodzajów cząstek, dodatnio naładowanych protonów i cząstek neutralnych zwanych neutronami. Wokół jądra znajduje się chmura ujemnie naładowanych elektronów. Fizycy odkryli, że elektrony, protony i neutrony zachowują się tak, jakby obracały się wokół swoich osi. Skutkuje to właściwością zwaną momentem kątowym spinu, która generuje pole magnetyczne i związany z nim” moment magnetyczny”, w którym cząstki działają jak małe magnesy prętowe z biegunami północnymi i południowymi. Po umieszczeniu w silnym zewnętrznym polu magnetycznym „moment magnetyczny” jądra ma tendencję do wyrównywania się z polem zewnętrznym lub przeciwko niemu, tak jak zachowują się zwykłe magnesy prętowe. 2
Rabi przewidział, że momenty magnetyczne jąder mogą być wywołane odwróceniem ich orientacji magnetycznej, jeśli pochłaniają energię z fali elektromagnetycznej o odpowiedniej częstotliwości. Będą one również emitować tę samą ilość energii w powrocie do niższej orientacji energetycznej, A Rabi byłby w stanie wykryć to przejście z jednego stanu energetycznego do drugiego. Nazwał tę metodę rezonansem magnetycznym wiązką molekularną.
eksperymenty Rabiego polegały na przepuszczaniu wiązki cząsteczek chlorku litu przez komorę próżniową i manipulowaniu wiązką różnymi polami magnetycznymi. Aby sprowokować momenty magnetyczne jąder do odwrócenia, skąpał wiązkę molekularną w falach radiowych, zmieniając jednocześnie siłę pola magnetycznego. Takie wykorzystanie fal radiowych zostało zasugerowane przez holenderskiego fizyka Corneliusa J. Gortera.3
regulując zewnętrzne pole magnetyczne i częstotliwość radiową, był w stanie zaobserwować absorpcję rezonansu magnetycznego. Moment magnetyczny jąder zmienił kierunek, a ponieważ każdy atom lub cząsteczka ma charakterystyczny wzór częstotliwości rezonansowych, Rabi sobie sprawę, że może wykryć szereg rezonansów w różnych cząsteczkach, które mogą być wykorzystane do identyfikacji typu atomu lub cząsteczki i ostatecznie dając więcej szczegółów w strukturze molekularnej.4
w 1946 Edward Purcell i Felix Bloch niezależnie odkryli sposób badania właściwości rezonansu magnetycznego atomów i cząsteczek w ciałach stałych i cieczach, zamiast pojedynczych atomów lub cząsteczek, jak w metodzie wiązki molekularnej Rabiego. Później, magnetyczny rezonans jądrowy został rozwinięty w technikę obrazowania, która jest obecnie powszechnie stosowana w diagnostyce medycznej. Pierwsze obrazy powstały na początku lat 70., a pierwszy żywy człowiek został zobrazowany w 1977 roku. Urządzenia MRI stały się dostępne na rynku w 1980 roku i są obecnie powszechnie używane do obrazowania wewnętrznych struktur ciała, zwłaszcza tkanek miękkich, takich jak mózg.
na krótko przed śmiercią w styczniu 1988 r. Rabi został zobrazowany w rezonansie magnetycznym. „To było niesamowite. Widziałem siebie w tej maszynie ” – powiedział. „Nigdy nie sądziłem, że moja praca do tego dojdzie.”
podczas gdy największą spuścizną Rabiego jest odkrycie rezonansu magnetycznego jako sposobu na zajrzenie do wnętrza i identyfikację atomów, przypisuje mu się również pomoc w rozwoju radaru, tworząc koncepcję CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych w Genewie w Szwajcarii (a obecnie największego na świecie laboratorium fizyki cząstek elementarnych) oraz jako jeden z założycieli Brookhaven National Laboratory w Upton w stanie Nowy Jork.5
Copyright © Alaina G. Levine, 2008.
1 „Isidor Isaac Rabi.”Encyclopædia Britannica. 2008. 29 sie 2008. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/487952/Isidor-Isaac-Rabi.
2 „zbawcze okno na umysł i ciało: rozwój obrazowania metodą rezonansu magnetycznego”, Beyond Discovery, National Academy.
3 Tamże.
4″ Isidor Rabi: naukowcy i obywatele”, John S. Rigden, ApS News, lipiec 1998 r.
5 ” Isidor Isaac Rabi.”Encyklopedia brytyjska. 2008. Encyklopedia Britannica Online. 02 września 2008 r.
