01
А
Астрономия
02
Б
Биология
03
Г
Гуманитарные науки
04
М
Математика и CS
05
Мд
Медицина
06
Нз
Науки о Земле
07
С
Сельское хозяйство
08
Т
Технические науки
09
Ф
Физика
10
Х
Химия и науки о материалах
Физика
5 мая
Нобелевские лауреаты: Исидор Айзек Раби. Радиосвязь с атомами

Первый шаг к МРТ

Американский физик Исидор Раби
Keystone Pictures/Getty Images/Indicator.Ru

О том, как несостоявшийся раввин открыл ядерный магнитный резонанс, как военные скрывали от него работу над ядерной бомбой и как он построил самые первые атомные часы, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Исидор Айзек Раби

Родился 29 июля 1898 года, Рыманов, Австро-Венгрия (ныне Польша)

Умер 11 января 1988 года, Нью-Йорк, США

Нобелевская премия по физике 1944 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер».

По-хорошему, нашего нынешнего героя можно записать в список польских нобелиатов. Впрочем, когда родился Исидор Исаак (тогда еще не Айзек, конечно), Рыманов на Лемковщине относился к Австро-Венгерской империи, а год спустя вся семья Раби эмигрировала в США. Так что в Подкарпатском воеводстве Польши Исидору пожить не удалось.

Как вы можете догадаться, в графе национальность у всех членов семейства Раби стояло «да». И родным языком нашего героя стал идиш (кстати, не так много всего нобелиатов, начинавших свою жизнь с идиш). Его родители, Давид Раби и Шнейдель Тейг, очень хотели, чтобы сын стал раввином, однако сын с детских лет увлекся наукой, несмотря на хасидскую начальную школу и овощную лавку отца. Как пишут, уже в 11 лет Исидор был самым частым и любопытным читателем публичной библиотеки, придумал собственную систему связи и опубликовал научную статью в местном издании для радиолюбителей Modern Electric о том, как самостоятельно сделать электрический конденсатор. Посему юноша очень разочаровал своих родителей: мало того, что не стал раввином, после ознакомления с гелиоцентрической системой устройства мира, вообще перешел в лоно атеизма.

E761dfb72883e076ea676c312d9aa6e5ce69bc53
Обложка журнала Modern Electric
Wikimedia Commons

Впрочем, чтобы совсем не добивать их, он все же прошел обряд бар-мицвы (совершеннолетия у иудеев), однако вместо отрывка Торы он прочитал на иврите текст по электротехнике. Да, с чувством юмора и умением идти на компромисс у Раби было все в порядке. Так что вместо изучения Торы юноша проучился в Бруклинской школе ремесел, а затем, получив стипендию, поступил в Корнеллский универитет. Правда, начал обучение он по электротехнике, а бакалаврский диплом получил в 1919 году в области химии.

Еще несколько лет ушло на метания между химией и физикой. Из Корнелла — в Колумбийский университет, где его научным руководителем стал Альберт Поттер Уиллис, специалист в области магнитных материалов. Именно Уиллис «обратил» Раби к магнетизму, что, в свою очередь, привело его к Нобелевской премии по физике 1944 года.

Уже в 1926 году Раби защитил свою PhD-диссертацию, которая была посвящена получению магнитных кристаллов и изучению их свойств. После чего наш герой получил стипендию и отправился на стажировку в Германию, бесспорно, центр мировой физики в то время. Поездка продлилась с сентября 1927-го по июнь 1928 года. Правда, сначала Раби отправился в Цюрих, где надеялся поработать с Эрвином Шредингером, однако Шредингер уже покинул университет. Зато там Раби встретил двух американцев, почти что ровесников, в будущем тоже ставших знаменитыми: Джулиуса Страттона, автора теории волнового сопротивления вакуума, и Лайнуса Полинга — впоследствии дважды лауреата Нобелевской премии.

2f7977eec9a17ec251097bd2947cf1497861e040
Лайнус Полинг
Wikimedia Commons

Так или иначе, Раби оказался в Гамбурге, где ему довелось поработать с Отто Штерном — будущим нобелевским лауреатом 1943 года, автором метода молекулярных пучков и первооткрывателем спина электрона. Именно используя молекулярные пучки, экспериментируя с магнитными моментами атомных ядер, Раби совершил свое главное открытие.

Для начала давайте вспомним опыт Штерна — Герлаха. Эксперимент выглядел так: пучок атомов серебра проходил через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, и это поле вызывало отклонение атомов. Классическая теория предсказывала, что отклонение атомов с различными направлениями магнитного момента будет распределено непрерывно, что приведет к расширению узкого пучка. Квантовая теория предсказывала, что атомы будут отклоняться только одним из двух способов, то есть пучок расщепится на два. Так и вышло у Штерна и Герлаха.

074c04ccf0416c86459dfa0a944163a48a5ccd24
Опыт Штерна — Герлаха
Wikimedia Commons

Таким образом, опыт подтвердил квантование проекции вектора магнитного момента атомов. Так Штерн в 1921 году открыл спин, который тремя годами позже предсказал Вольфганг Паули. Следующий ход был за Раби.

Вот как этот ход описывал профессор Эрик Хултен во время представления Штерна и Раби всему миру как новых нобелевских лауреатов: «В магнитное поле помещался проволочный виток, присоединенный к колебательному контуру, частота колебаний в котором могла меняться таким способом, каким мы настраиваем радиоприемник на данную длину волны. Теперь, когда пучок атомов проходит сквозь магнитное поле, оно влияет на них только при условии, что их прецессия соответствует частоте колебаний электрического тока в контуре.

5e208ea2ec0ff6b4befa14cab2ec0a3f2f58ce21
Спектр ядерного магнитного резонанса — одно из применений открытия Раби в наше время
Wikimedia Commons

Это влияние можно представить графически: ядра совершают скачок («сальто», техническим термином для которого является «квантовый переход»), посредством которого они занимают другое положение с иным направлением по отношению к полю. Это означает, что атом теряет все шансы достичь детектора и быть зарегистрированным. Эффект таких квантовых переходов проявляется в том, что детектор регистрирует отчетливый резонансный минимум при частоте, которая определяется с необыкновенной точностью с помощью радиотехнической аппаратуры. Посредством этого метода Раби буквально устанавливает радиосвязь с мельчайшими частицами материи, с миром электронов и атомных ядер».

7ebc2075afec34985804612ed65c60632d7fdf4e
МРТ головного мозга
Wikimedia Commons

Так было сделано одно из важнейших открытий ХХ века, которое принесет еще немало Нобелевских премий и к середине 1970-х годов приведет к созданию революционно нового метода медицинской диагностики — магнитно-резонансной томографии. К счастью, Исидор Исаак Раби успел дожить до достаточно широкого распространения МРТ в медицине: умер он в 1988 году.

Кстати, сам Раби тоже использовал открытый им ядерный магнитный резонанс, правда, совсем по-другому. Уже в 1945 году, после получения Нобелевской премии, он предложил (а потом сам же и реализовал свое предложение) использовать ЯМР для того, чтобы создать атомные сверхточные часы. Нельзя не сказать и о том, что без ЯМР не могут жить современные химики-органики, поскольку спектры, полученные этим методом, очень сильно облегчают расшифровку структуры новых веществ.

Во время Второй мировой войны Раби работал над новыми радарами и консультировал физиков Лос-Аламоса, не зная о разработке атомного оружия. Военные чины (особенно военный руководитель Манхэттенского проекта Лесли Гровс) ломали голову, как удалить Раби из Лос-Аламоса во время испытания Тринити — прототипа атомной бомбы. Гровс очень боялся, что друг Раби Оппенгеймер все-таки проговорится.

6da85728624142f48072a2459a36d97db2b38ad5
Первое испытание ядерной бомбы
Wikimedia Commons

Кстати, может быть, именно это привело Раби в ряды сторонников запрещения и контроля за ядерным оружием. Недаром ему приписывают фразу «без Теллера (создатель водородной бомбы, — прим. Indicator.Ru) мир был бы лучше».

У Раби очень много заслуг перед физикой. Кроме ЯМР, мы можем вспомнить, например, и созданный им для радаров полостной магнетрон, но главная его заслуга — воспитание физиков. Так, за время его руководства физическим факультетом Колумбийского университета под его началом работало 11 будущих нобелиатов, включая одну из двух женщин — лауреатов по физике, Марию Гепперт-Майер, а он сам был научным руководителем троих нобелиатов: Мартина Перла, Нормана Рамзея (который, кстати, получит «Нобеля» за атомные часы) и Джулиана Швингера.

Достойная, длинная и счастливая жизнь: 89 лет, из них 62 года в браке (супруга Элен Ньюхаус пережила мужа на 17 лет, прожив 102 года), преподавание до последних дней, множество наград… Не самая плохая карьера для неудавшегося раввина.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.

Комментарии

Все комментарии
САМОЕ ЧИТАЕМОЕ
Обсуждаемое