Rabi și rezonanță magnetică
de Alaina G. Levine
Isidor Isaac Rabi
Isidor Isaac Rabi (1898-1988) a fost distins cu Premiul Premiul Nobel pentru Fizică în 1944 pentru dezvoltarea unei „metode de rezonanță pentru înregistrarea proprietăților magnetice ale nucleelor atomice”. Cercetările sale ample de la Universitatea Columbia privind investigațiile asupra naturii forței care ține nucleele atomice împreună au dus la crearea metodei de detectare a rezonanței magnetice cu fascicul molecular. Folosind acest sistem, fizicienii au reușit în cele din urmă să detecteze și să măsoare momentele magnetice ale nucleelor. „Măsurătorile precise obținute prin această metodă au făcut posibile aplicații ulterioare precum ceasul atomic…și laserul, precum și imagistica prin rezonanță magnetică nucleară utilizată în medicina de diagnostic.. Metoda lui Rabi a oferit tehnica centrală pentru practic toate experimentele cu fascicul molecular și atomic.”1
Rabi s-a născut în Raymanov, Austria, la 29 iulie 1898. A absolvit Universitatea Cornell cu o licență în chimie în 1919 și și-a luat doctoratul. în fizică de la Universitatea Columbia în 1927. Munca sa s-a concentrat pe proprietățile magnetice ale cristalelor și l-a determinat să petreacă doi ani lucrând în Europa, colaborând în momente diferite cu unii dintre marii oameni de știință ai vremii, inclusiv Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Otto Stern, și Werner Heisenberg. La întoarcerea sa în 1929, Rabi a fost numit lector de Fizică Teoretică la Universitatea Columbia și, în mai puțin de 10 ani, a ajuns la gradul de profesor titular.
în anii 1930, fizicienii știau că nucleul atomic este compus din două tipuri de particule, protoni încărcați pozitiv și particule neutre numite neutroni. În jurul nucleului este un nor de electroni încărcați negativ. Fizicienii au descoperit că electronii, protonii și neutronii se comportă ca și cum s-ar învârti în jurul axelor lor. Aceasta are ca rezultat o proprietate numită impuls unghiular de spin, care generează un câmp magnetic și un „moment magnetic” asociat, în care particulele acționează ca niște magneți minusculi cu poli nordici și sudici. Atunci când este plasat într-un câmp magnetic extern puternic, „momentul magnetic” al unui nucleu tinde să se alinieze cu sau împotriva câmpului extern, la fel cum observăm magneți de bare obișnuiți să se comporte. 2
Rabi a prezis că momentele magnetice ale nucleelor ar putea fi induse să-și schimbe orientarea magnetică dacă ar absorbi energia dintr-o undă electromagnetică cu frecvența potrivită. De asemenea, ar emite aceeași cantitate de energie în căderea înapoi la orientarea energetică inferioară, iar Rabi ar putea detecta această tranziție de la o stare energetică la alta. El a numit această metodă rezonanță magnetică cu fascicul molecular.
experimentele lui Rabi au implicat trecerea unui fascicul de molecule de clorură de litiu printr-o cameră de vid și manipularea fasciculului cu diferite câmpuri magnetice. Pentru a provoca momentele magnetice ale nucleelor să se răstoarne, el a scăldat fasciculul molecular în unde radio în timp ce varia intensitatea câmpului magnetic. Această utilizare a diferitelor unde radio a fost sugerată de fizicianul olandez Cornelius J. Gorter.3
prin ajustarea câmpului magnetic extern și a frecvenței radio, el a fost de fapt capabil să observe absorbția rezonanței magnetice. Momentul magnetic al nucleelor și-a schimbat direcția și, deoarece fiecare atom sau moleculă are un model caracteristic de frecvențe de rezonanță, Rabi și-a dat seama că poate detecta o serie de rezonanțe în diferite molecule care ar putea fi utilizate pentru a identifica tipul de atom sau moleculă și, în cele din urmă, oferind mai multe detalii în structura moleculară.4
în 1946 Edward Purcell și Felix Bloch au găsit în mod independent o modalitate de a studia proprietățile de rezonanță magnetică ale atomilor și moleculelor din solide și lichide, în loc de atomi sau molecule individuale ca în metoda fasciculului molecular Rabi. Mai târziu, rezonanța magnetică nucleară a fost dezvoltată în continuare în tehnica imagistică care este acum utilizată în mod obișnuit pentru diagnosticul medical. Primele imagini au fost produse la începutul anilor 1970, iar primul subiect uman viu a fost imaginat în 1977. Aparatele RMN au devenit disponibile comercial în anii 1980 și sunt acum utilizate în mod obișnuit pentru imagistica structurilor interne ale corpului, în special a țesuturilor moi precum creierul.
cu puțin timp înainte de a muri în ianuarie 1988, Rabi a fost fotografiat într-un aparat RMN. „A fost straniu. M-am văzut în acea mașină”, a spus el. „Nu am crezut niciodată că munca mea va ajunge la asta.”
în timp ce cea mai mare moștenire a lui Rabi este descoperirea rezonanței magnetice ca modalitate de a vedea în interior și de a identifica atomii, el este, de asemenea, creditat cu ajutorul dezvoltării radarului, creând conceptul CERN, Organizația Europeană pentru Cercetări Nucleare din Geneva, Elveția (și acum cel mai mare laborator de fizică a particulelor din lume) și ca unul dintre fondatorii Laboratorului Național Brookhaven, din Upton, NY.5
Drepturi De Autor Alaina G. Levine, 2008.
1 „Isidor Isaac Rabi.”Encyclopedia Unixtdia Britannica. 2008. 29 Aug. 2008. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/487952/Isidor-Isaac-Rabi.
2 ” o fereastră de salvare pe mintea și corpul: dezvoltarea de imagistica prin Rezonanta Magnetica,” dincolo de descoperire, Academiile Naționale.
3 Ibidem.
4 „Isidor Rabi: oameni de știință și Cetățean”, de John S. Rigden, APS News, iulie 1998.
5 ‘ Isidor Isaac Rabi.”Encyclopedia Unixtdia Britannica. 2008. Encyclopedia Inixtdia Britannica Online. 02 Sep. 2008.
