Physiknobelpreis 1952: Felix Bloch — Edward Mills Purcel

Physiknobelpreis 1952: Felix Bloch — Edward Mills Purcel

 

Die amerikanischen Physiker erhielten den Nobelpreis für ihre Entwicklung verfeinerter und vereinfachter Methoden zur Messung magnetischer Kraftfelder.

 

 Biografien

 

Felix Bloch, * Zürich 23. 10. 1905, ✝ Zürich 10. 9. 1983; 1928 Entdeckung des Bloch-Floquet-Theorems, 1934 Flucht in die USA vor dem Nationalsozialismus, ab 1936 Professor an der Stanford University in Kalifornien, 1954/55 Direktor des CERN in Genf, später überwiegend Kernforschung.

 

Edward Mills Purcel, * Taylorville (Illinois) 30. 8. 1912, ✝ Cambridge (Massachusetts) 7. 3. 1997; ab 1934 in Harvard als Doktorand und später Professor der Physik; in den 1960er-Jahren zusammen mit Dr. Harold Ewen Entdeckung der 21-cm-Linie im kosmischen Wasserstoffspektrum, weitere wichtige Beiträge zur Astrophysik; in den 1960er- und 1970er-Jahren lange Zeit Mitglied des wissenschaftlichen Beratungsgremiums des US-Präsidenten.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Während den meisten Menschen die Kernspintomographie ein Begriff ist, bleibt das Grundprinzip, auf dem dieses medizinische Diagnoseverfahren basiert, für viele ein Buch mit sieben Siegeln. Dabei stellt die Kernspinresonanz (NMR) die älteste kernphysikalische Methode zur Bestimmung von Festkörpereigenschaften dar, die in zahlreichen Gebieten der Physik, Chemie, Biologie und eben der Medizin angewendet werden.

 

 Auf Rabis Spuren zur NMR

 

Isidor Isaac Rabi (Nobelpreis 1944) entwickelte bereits in den 1930er-Jahren ein Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses von magnetischem Moment zum Spin des Kerns. Diese so genannte Molekülstrahl-Resonanz-Methode bildete eine wesentliche Grundlage für Purcells und Blochs NMR-Versuche. Der vermeintlich kleine Schritt von dieser Methode zu Purcells und Blochs NMR-Verfahren, den beispielsweise Rabi nicht für möglich hielt, war jedoch in Wahrheit eine wissenschaftliche Meisterleistung. Während Purcell Ende der 1930er-Jahre am Anfang seiner akademischen Laufbahn stand, hatte sich der gebürtige Schweizer Bloch bereits einen Namen als Spezialist für Ferromagnetismus gemacht. 1933, nach Hitlers Aufstieg zur Macht, verließ er Deutschland und nahm 1934 ein Angebot der Stanford University in Kalifornien an. Dort gelang es ihm 1939 zusammen mit Luis Alvarez (Nobelpreis 1968), das magnetische Moment des Neutrons zu bestimmen, laut Purcell eines der schwierigsten Experimente, die jemals durchgeführt wurden — und ein entscheidender Schritt in Richtung NMR.

 

 Schwerter zu Pflugscharen

 

Während des Kriegs leitete Purcell am Radiation Laboratory des Massachusetts Institute of Technology eine Arbeitsgruppe, die vom amerikanischen Verteidigungsministerium zur Erforschung und Entwicklung von Mikrowellentechnik gegründet worden war. Diese Technik wiederum sollte später eine wichtige Grundlage für Purcells NMR-Versuche darstellen. Zur gleichen Zeit trug Bloch erst in Los Alamos und später am Radio Research Laboratory in Harvard zur amerikanischen Rüstungsforschung bei. Ob sich die beiden Wissenschaftler ohne diese Erfahrungen und Erkenntnisse der Kriegsjahre überhaupt der weiteren Erforschung nuklearer magnetischer Momente zugewandt hätten, darf bezweifelt werden. Sicher ist jedoch, wie Professor Erik Wilhelm Hulthén bei der Nobelpreisverleihung 1952 feststellte, dass durch ihre erfolgreichen NMR-Versuche Schwerter in Pflugscharen verwandelt wurden. Denn Purcell und Bloch konnten eine Methode entwickeln, die der Menschheit in den kommenden Jahrzehnten zugute kommen sollte.

 

Ab August 1945 begann Purcell, zusammen mit seinen Kollegen Robert Pound und Henry Torrey, ein Verfahren zu entwickeln, das die Bestimmung des magnetischen Kernmoments von Protonen in kondensierter Materie ermöglichen würde. Da die finanziellen Möglichkeiten begrenzt waren, musste sich das Team mit geliehener und selbst konstruierter Apparatur zufrieden geben. Ziel der Physiker war es, die Protonenspins in ihrer Probesubstanz Paraffin mithilfe eines homogenen Magnetfelds auszurichten, um dann Mikrowellen einzustrahlen. Entsprach die Frequenz dieser Strahlung eben der Energiedifferenz zwischen zwei Quantenzuständen, so kam es zur nachweisbaren Absorption — und die Resonanzfrequenz der Spins war gefunden. Als die drei Wissenschaftler schließlich am 15. Dezember 1945 ihre Messungen begannen, verbrachten sie volle fünf Stunden damit, in ihrem Labor in Harvard dem gleichmäßigen Hintergrundrauschen ihrer Apparatur zu lauschen. Denn die notwendige Feldstärke lag ein wenig über dem von ihnen durchforschten Bereich. Schließlich beschloss Purcell, den Strom, der die Stärke des Magnetfelds regelte, voll aufzudrehen, woraufhin sich endlich das ersehnte Resonanzsignal zeigte. Purcell schien bemerkenswert ungerührt über den glücklichen Ausgang: »... wenn es nicht funktioniert hätte, das wäre eine echte Entdeckung gewesen.« Das Nobelpreiskomitee sah die Sache anders und ehrte ihn 1952 zusammen mit Bloch für seine doch »echte Entdeckung«.

 

Im Gegensatz zu Purcells quantenmechanischem Modell war Blochs Ansatz klassischer Natur. Seine Erklärung der Kernspinresonanz gründete sich auf das Bild von präzedierenden Drehimpulsen, deren Auslenkung und Reorientierung. Nach seiner Vorstellung sollte das Signal durch elektromagnetische Induktion erzeugt und als Spannungsänderung nachgewiesen werden. Im Herbst 1945 begann er unterstützt von William Hansen und Martin Packard mit seinem NMR-Experiment, mit dem mithilfe eines Radioempfängers die magnetische Resonanz von Protonen in Wasser zu messen war. Wenig später trafen die beiden Forschergruppen dann erstmals zusammen und stellten überrascht fest, dass es sich bei ihren Verfahren um das prinzipiell gleiche handelte.

 

 Schnee mit neuen Augen sehen

 

Dass es sich bei ihren Forschungsergebnissen nur um die Spitze eines gewaltigen Eisbergs handelte, erkannten zu diesem Zeitpunkt weder Bloch noch Purcell. Während für die Physiker besonders die Kernübergänge von Interesse waren, konzentrierten sich beispielsweise die Chemiker auf Effekte benachbarter Atome auf das Emissionsspektrum. Über die so genannte chemische Verschiebung der Resonanzlinien lassen sich zahlreiche Aussagen über die zu untersuchende Substanz machen. In der Medizin gelang zweifellos die berühmteste und weitreichendste Anwendung der NMR — wegen ihrer präzisen Schnittbilder bei gleichzeitig geringer Belastung des menschlichen Körpers ist die Kernspintomographie weltweit unersetzbar.

 

Beide Physiker setzten sich nach ihrer Entdeckung noch lange mit der NMR auseinander, betrieben aber auch anderweitige Studien. Doch bleibt zuletzt auch die Spur von Romantik in der Welt der Kernphysik unvergessen, die Purcell 1952 offenbarte: »Ich erinnere mich, dass ich im Winter unseres ersten Experiments Schnee mit neuen Augen sah. Da lag Schnee auf meiner Türschwelle — große Haufen von Protonen, die leise im Magnetfeld der Erde präzedierten. Die Welt für einen Augenblick als etwas Wertvolles und Fremdartiges zu sehen, ist die persönliche Belohnung vieler Entdeckungen.«

 

C. Hein