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Zukunftsmaschinen in der Chemie

Kernmagnetische Resonanz bis 1980

von Thomas Steinhauser (Autor:in)
Dissertation 465 Seiten

Zusammenfassung

Zukunftsmaschinen in der Chemie zeigt am Beispiel der kernmagnetischen Resonanz (NMR), wie elektronische Instrumente und die mit ihnen verbundenen Methoden zu einem Kerngebiet der modernen Chemie wurden. Den Leitfaden der Analyse knüpfen die Aktivitäten der Firmen Varian Associates (USA) und Bruker-Spectrospin (Deutschland/Schweiz). Das Netzwerk der NMR umfasste aber nicht nur diese Zentren der Instrumentenentwicklung, sondern dehnte sich immer weiter aus. Mit Hilfe vielfältiger Quellen werden wichtige Personengruppen, Institutionen und Ideen beschrieben, welche die NMR zu einem eigenständigen Wissensgebiet formten. Einigen der Akteure wurde in historischen Arbeiten bisher nur wenig Beachtung geschenkt, dennoch ist ohne sie die Entwicklung der modernen Chemie und Naturwissenschaft insgesamt kaum zu verstehen.

Inhaltsverzeichnis

  • Cover
  • Titel
  • Copyright
  • Autorenangaben
  • Über das Buch
  • Zitierfähigkeit des eBooks
  • Danksagung
  • Inhaltsverzeichnis
  • 1. Grundlagen einer Methode
  • 1.1. Moderne Instrumente in der Naturwissenschaft und der Wissenschaftsgeschichte
  • 1.2. Die Anfänge der NMR in der Teilchenphysik
  • 1.3. Die Strukturtheorie als Mentales Modell der modernen Chemie
  • 2. Die NMR wandert in die Chemie
  • 2.1. Veränderung durch Research Technology
  • 2.2. Varian und die Idee der chemischen NMR
  • 2.3. Ein neues Verfahren der Strukturaufklärung
  • 3. Innovation in der Chemie
  • 3.1. Die USA als Zentrum einer entstehenden NMR-Community
  • 3.2. Varian als Knotenpunkt der chemischen NMR
  • 3.3. Zur Internationalisierung der Methode
  • 3.4. Die deutsche Perspektive
  • 4. Ein neuer NMR-Instrumentenhersteller
  • 4.1. Schweizer Know-how
  • 4.2. Professor oder Firmenchef?
  • 4.3. Durchbruch mit Unterstützung der DFG
  • 5. Innovationsschübe generieren einen neuen Instrumententyp
  • 5.1. Die Instrumentenhersteller als Teil einer internationalen NMR-Gemeinschaft
  • 5.2. Fourier-Transformationen
  • 5.3. Das Ende der Eisenzeit
  • 6. Expansion und Spezialisierung
  • 6.1. Konkurrenz belebt die NMR
  • 6.2. Neue Dimensionen
  • 6.3. Die Verbreitung der Instrumentalsysteme
  • 6.4. Spezialisierung in disziplinähnlicher Struktur
  • 7. Die Formierung eines neuen Wissensgebietes
  • 7.1. Grundzüge der historischen Entwicklung
  • 7.2. Drei Phasen der NMR-Entwicklung
  • 7.3. Variablen und Konstanten der NMR-Geschichte
  • 7.4. Die NMR als disziplinähnliche Struktur
  • 8. Quellen- und Literaturverzeichnis
  • 8.1. Nicht gedruckte Quellen
  • 8.2. Patente, Graue Literatur
  • 8.3. NMR-Fachliteratur
  • 8.4. Historiographische Literatur
  • 8.5. Abbildungsverzeichnis
  • Index

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1. Grundlagen einer Methode

1.1. Moderne Instrumente in der Naturwissenschaft und der Wissenschaftsgeschichte

Instrumentelle Methoden sind ein wesentlicher Teil der Theorie, Praxis und sozialen Organisation der modernen Naturwissenschaften. Auch wenn inzwischen elektronische Instrumente aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts häufig seltener sind als wissenschaftliche Apparate aus der Zeit edel glänzenden Messings, sind sie immer noch kaum in Museen vertreten, den Speichern und Gedächtnissen unserer als bedeutsam angesehenen materiellen Kulturen. Es gibt inzwischen zwar vereinzelte Initiativen zur Rettung solcher Geräte, z.B. die Sammlung von 100 chemischen Laborinstrumenten "die die Welt veränderten" durch die Chemical Heritage Foundation,1 doch der Befund zeigt, dass der kulturelle Wert der noch relativ neuen, in der Regel unanschaulichen und optisch wenig attraktiven Instrumente eher als gering eingestuft wird. Dennoch bestimmen instrumentelle Methoden Denkzwänge2 des modernen Wissenschaftssystems, sie legen fest, welche Daten relevant sind, wie sie erhalten werden können und nach welchen Regeln sie ausgelegt werden sollen. Aber nicht nur die forschungsleitende Funktion instrumenteller Möglichkeiten beeinflusst die Wissenschaftler, sondern auch ein anderer Zwang: immer wieder neue Mittel zur Finanzierung teurer Instrumente akquirieren zu müssen. Der Eindruck, dass Naturwissenschaftler durch die modernen instrumentellen Methoden einen guten Teil an Handlungsfreiheit einbüßen, wirkt ernüchternd auf das klassische Bild der allseits autonomen und nur dem Wissenserwerb verpflichteten Naturwissenschaft. Nicht nur die Wissenschaftler selbst nehmen den stark zunehmenden Einfluss der Instrumente auf die exakten Naturwissenschaften wahr. Auch Wissenschafts- und Technikhistoriker beschäftigen sich zunehmend mit dem in ← 11 | 12 → der Regel pauschal als Technoscience3 bezeichneten System aus moderner Naturwissenschaft und Technik.

Ist die Verbindung mit technischen Kulturen das herausragende Charakteristikum der modernen Naturwissenschaften, so wird deren Methode durch Instrumente entscheidend geprägt.4 Vor allem die High-Tech Instrumentierung führte zur Wahrnehmung einer grundlegenden Technisierung in den Naturwissenschaften deren Ablauf und Bedeutung immer noch genauerer Untersuchung bedarf. Moderne naturwissenschaftliche Instrumente sind deshalb von zentralem Interesse.

Versuche, die Funktion der Instrumente in eine historiographisch aufzuarbeitende jüngere Vergangenheit einzugliedern, berühren noch ungelöste Kernfragen der Wissenschaftsgeschichte des 20. und teilweise auch des 19. Jahrhunderts. Wissenschaftliche Instrumente, insbesondere wenn sie kommerziell aus industriell produzierten Teilen gebaut wurden, bewegen sich zwischen dem akademisch-naturwissenschaftlichen und ökonomisch-technischen Bereich. Der hohe Kostenaufwand für die Instrumente konnte häufig nur mit intensiver staatlicher Unterstützung aufgebracht werden. Somit gehören auch staatliche Aktivitäten unmittelbar zur Schnittstelle in der diese Instrumente entstanden. Die Metrologie der modernen instrumentellen Methoden entwickelte sich in lokalen und sozialen Kontexten, eingebettet in verschiedene gesellschaftliche Bereiche, die über die Instrumente ihre Spuren in den Naturwissenschaften hinterlassen haben.5 Das Zusammenwirken von Industrie, Staat und Naturwissenschaft wurde zunächst anhand neuartiger, ab dem Ende des 19. Jahrhunderts entstandener wissenschaftlicher Institutionen deutlich. Dazu gehören staatliche Forschungsinstitute wie die Physikalisch-Technische Reichsanstalt, die Kaiser-Wilhelm-Institute, Forschungslaboratorien der Großindustrie, aber auch staatlich finanzierte Förderorganisationen wie die Notgemeinschaft Deutscher Wissenschaft (später Deutsche Forschungsgemeinschaft). In den Zeiten weltweiter kriegerischer oder kriegsähnlicher Konflikte spielte auch die Finanzierung durch das Militär eine bedeutende Rolle. Das Geflecht an institutionalisierten Beziehungen quer zu den üblichen analytischen Kategorien der Gesellschaftswissenschaften stellt ← 12 | 13 → immer noch ein konzeptionell ungelöstes Problem der wissenschaftshistorischen Forschung über das 20. Jahrhundert dar, ganz zu schweigen von Verknüpfungen, die sich nicht in Institutionen und deren Akten manifestierten. Generelle Konzepte wie der Moduswechsel von einer traditionsorientierten, disziplinär organisierten, theoretisch geleiteten Naturwissenschaft zu verschiedenen, an praktischen Fragen spezifischer Projekte von allgemein angenommenen Nutzen orientierten Aktivitäten,6 systemische Ansätze auf nationaler Basis,7 oder das Triple Helix Innovationsmodell8 einer intensiven gegenseitigen Durchdringung und Verflechtung von Staat, Industrie und Wissenschaft versuchen den Kern des modernen Zusammenspiels von Naturwissenschaft, Staat und Technik zu erfassen. Die analytischen Kategorien erweisen sich aber als entweder zu allgemein und damit wenig aussagekräftig, oder als im Einzelfall nicht zutreffend.9 Fallstudien beschäftigten sich mit Big Science,10 große naturwissenschaftlich-technische Projekte, welche schon aus organisatorischen Gründen den Rahmen traditioneller Naturwissenschaft sprengten. Dazu gehören Großprojekte wie die Atombombe, Teilchenbeschleuniger, oder Atomkraftwerke. Das naturwissenschaftliche Tagesgeschäft in den meisten Laboratorien geriet dabei etwas ins Abseits.

Aber auch für eher wissenschaftstheoretisch orientierte Kreise wurden die modernen Instrumente interessante Forschungsobjekte. Die Wissenschaftsphilosophie des frühen 20. Jahrhunderts betrachtete Beobachtungstatsachen als grundlegenden Kontrollmechanismus der Theorie.11 Damit hatte das Experiment zwar eine wichtige Funktion, es wurde aber kaum untersucht, wie diese experimentellen Aussagen zustande kamen. Ludwik Fleck mit seiner Analyse ← 13 | 14 → der sozial bedingten Formierung einer naturwissenschaftlichen Tatsache blieb lange ein Außenseiter und fand erst ab den 1960er Jahren über die Vermittlung durch Thomas Kuhn breitere Beachtung. Ab den 1980er Jahren wurde mit dem New Experimentalism12 der epistemologische Status des Experiments, verstanden als das kontextabhängige, aber dennoch weitgehend autonome Zusammenspiel von Theorien, materiellen Objekten und Messdaten, erheblich aufgewertet.

Ähnlich wie bei Fleck sind für Hans-Jörg Rheinberger Instrumente technisch stabilisierte Objekte, welche die Möglichkeiten des Denkens eingrenzen. Hoch technisierte Methoden als strukturierte Vermittler zwischen dem schon Bekannten und dem noch Unbekannten legen die Spuren, aus denen epistemische Dinge aufgebaut sind. Sie sind Zukunftsmaschinen13 und bilden den Kern der zeitgenössischen, naturwissenschaftlichen Forschung.14 Die Methode stellt über die Messung eine Beziehung zu noch nicht exakt einzuordnenden epistemischen Objekten, d.h. zum Forschungsgegenstand her. Im sich verändernden Experimentalsystem ist es aber auch möglich, dass Instrumente und Methoden selbst wieder zum Forschungsobjekt werden. Technik hat wesentlichen Anteil an der Ausrichtung moderner Experimentalwissenschaft und ist als notwendiges, aber theoretisch irrelevantes Werkzeug dieser Aktivität unzureichend beschrieben. In einer nicht cartesischen Form, ohne deutliche Trennung zwischen Ideen und materiellen Gegenständen, denkt zeitgenössische Wissenschaft in ihren Apparaten,15 dabei bettet sie an Materialität gebundenes Geschick und ← 14 | 15 → durch materielle Dinge verkörpertes stummes, ganz persönliches Wissen16 in spezifische Kontexte ein. Die Technik der Instrumente ist damit auch beteiligt an der schöpferischen Komponente der Experimente. Ausgehend von Studien über die alltägliche wissenschaftliche Laborpraxis wurde ab den 1990er Jahren der Einfluss der im Laboralltag verwendeten Instrumente auf das gesamte System der Naturwissenschaften untersucht.17 Ihre Funktion beschränkt sich nicht auf die Kontrolle der Theorie, sie erweitern unter anderem produktiv die menschlichen Erfahrungsmöglichkeiten, repräsentieren und strukturieren Phänomene, die sie teilweise erst konstituieren, in jedem Fall aber beherrschbar machen.18 Sie können weiter den naturwissenschaftlichen Diskurs prägen, neue Subdiziplinen schaffen und die soziale Struktur der Naturwissenschaften modifizieren. Die soziale Bedeutung der modernen Instrumente stellte Terry Shinn in das Zentrum seines Konzeptes der Research Technology.19 Es versucht die Werte und Aktivitäten der Personengruppe zu beschreiben, die im Schnittpunkt von Naturwissenschaft und Technik an der Innovation von Instrumenten arbeitet und damit einen entscheidenden Beitrag zum Wissenstransfer in den Naturwissenschaften leistet. Diese Gruppe überbrückt akademische Disziplinen, hat aber auch Verbindung zum ökonomisch-technischen System. Als Mittelsmänner passen sie die Instrumente an verschiedene Arbeitsbereiche der Naturwissenschaften an, verändern damit aber auch den Wissensbestand, die Fragen, die Sprache und die soziale Struktur der aufnehmenden Wissenschaftsbereiche.

Die Physik war Vorreiter im Gebrauch moderner Instrumente, doch gerade in der Chemiegeschichte wurde der Wandel durch Instrumente die physikalische Messdaten produzieren besonders deutlich wahrgenommen. Der Konstruktion und Verbreitung elektronischer Messgeräte20 folgend wurden insbesondere ← 15 | 16 → Infrarot-, Ultraviolett-, Kernspinresonanz-, Elektronenspinresonanz- und Ramanspektroskopie zentrale Elemente der zeitgenössischen Chemie. Ihr intensiver Gebrauch veränderte kognitive und soziale Strukturen, auch in chemischen Kernbereichen wie der Organischen Chemie. Die Instrumente erweiterten das Arbeitsfeld der Chemiker und schufen die Voraussetzung für neue Spezialistengruppen. Derartig umfassende Änderungen sind nicht auf eine einzige Methode, sondern auf einen ganzen Verbund von Methoden zurückzuführen, die sich gegenseitig stützten und ergänzten.21 Das Konzept einer Instrumentenrevolution22 in der Chemie entstand, die ihren Höhepunkt im mittleren Drittel des 20. Jahrhunderts erreichte.

Die magnetische Kernspinresonanz (in Folge mit NMR abgekürzt)23 gehörte dabei zu den Methoden, die besonders nachhaltig zum revolutionären Wandel der chemischen Praxis beigetragen haben. Da der Schwerpunkt der modernen Naturwissenschaftsgeschichte im anglo-amerikanischen Raum liegt, werden in den bisherigen Darstellungen vor allem die Entwicklungen in den USA beschrieben.24 Es fehlt an vergleichenden oder auch kontrastierenden Perspektiven. Die Bedeutung gerade der Internationalität der Entwicklung veranschaulicht dagegen eine Initiative der wissenschaftlichen NMR-Gemeinschaft anlässlich des 50jährigen Bestehens der Methode. Das Resultat der Bemühungen war eine mehrbändige NMR-Enzyklopädie25 die mit einem beeindruckenden Spektrum internationaler Autoren und auch durch die Autorenauswahl des Bandes zur Geschichte der NMR zeigt, dass der Schwerpunkt der Entwicklung zwar in ← 16 | 17 → den USA lag, von einer ausschließlichen Dominanz US-amerikanischer Forscher aber nicht die Rede sein kann. Das Verhältnis zwischen den frühen US-amerikanischen Zentren der NMR und der internationalen Entwicklung ist ungeklärt. Diese Lücke soll hier durch eine nicht auf ein spezifisch nationales, institutionelles oder personelles Umfeld begrenzte Perspektive geschlossen werden. Die Abschnitte zur bisher noch nicht historiographisch aufgearbeiteten europäischen NMR-Geschichte dienen dabei als Beispiel der Entwicklung abseits der NMR-Zentren in den USA.

Die NMR bietet eine gute Möglichkeit, im Detail den Faktoren nachzugehen welche die allgemein als Technoscience bezeichneten modernen Naturwissenschaften in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts beeinflusst haben. NMR wurde als eine erst ab den 1930er Jahren experimentell bearbeitete Methode innerhalb des Zeitraumes von 1950 bis 1980 zu einem mächtigen Instrument der Strukturaufklärung chemischer Verbindungen ausgebaut.26 Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung der Methode gewann sie ständig an Anwendungsbreite, sie wurde in Physik, Chemie und Biologie – inklusive aller Zwischenbereiche – zu einem wichtigen Arbeitsfeld.

Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich weitgehend auf den Bereich der Organischen Chemie, da dort die Auswirkungen der neuen Methode besonders signifikant sind. Die Organik entwickelte sich seit dem letzten Drittel des 19. Jahrhunderts zum Kernbereich der Chemie, der durch die Methoden der "nassen" Chemie gekennzeichnet war, bei der chemische Strukturen und ihre Veränderungen mittels spezifisch chemischer Instrumente, den Reaktionen, untersucht und definiert wurden.27 Das Verwenden elektronischer Instrumente, deren Ergebnisse auf Grundlage quantenphysikalischer Theorien autorisiert und interpretiert wurden, veränderte die analytische Praxis. Ab dem Zweiten Weltkrieg und in Verbindung mit der Kriegswirtschaft verbreiteten sich diese physikalischen Methoden schnell, beginnend mit der UV- und IR-Spektroskopie.28 Die Entwicklung war nicht auf eine bestimmte oder bestimmende instrumentelle Methode beschränkt, vielmehr ergänzten sich die analytischen Möglichkeiten der unterschiedlichen Verfahren, so dass deren Kombination in den 1960er Jahren die chemische Reaktion in der organisch-chemischen Strukturaufklärung als ← 17 | 18 → das vorherrschende Werkzeug verdrängte. Die chemische Reaktion wurde nun allerdings als Werkzeug des Organikers nicht obsolet, so blieb sie bei der organischen Synthese Kernstück der Operationen,29 und die Strukturen der spektroskopisch zu analysierenden Verbindungen waren in der Regel nicht völlig unbekannt, sondern aufgrund ihrer Darstellungsverfahren bereits abschätzbar. Instrumentelle Analyse und klassische Methoden wurden aneinander angepasst und bildeten ein modifiziertes Experimentalsystem. Das erweiterte Methodenarsenal ermöglichte es, große Biomoleküle z.B. Proteine und Nukleinsäuren als lohnende Forschungsobjekte aufzunehmen und damit der Organik neue, transdisziplinäre Arbeitsbereiche an den Grenzen zur Biologie und Medizin zu erschließen. Es entstand daneben ein eigenständiger Forschungsbereich der instrumentellen Strukturanalytik. Zudem gehörten nun eine größere Anzahl neu gegründeter Unternehmen für den hoch technisierten Instrumentenbau zur unabdingbaren Infrastruktur moderner chemischer Forschung. Eine Finanzierung der technischen Möglichkeiten wurde als Randbedingung der organisch-chemischen Forschung zwingend notwendig. Elektronik und Computer trugen dazu bei, die Reichweite der Instrumente auszudehnen und neue Arbeitsbereiche zu erschließen. Die NMR entwickelte sich dabei zum mächtigsten Verfahren der Strukturaufklärung und übertraf alle anderen spektroskopischen Methoden an Bedeutung.30

Die vorliegende Studie folgt diesem kurzen, historischen Abriss. Zunächst werden die Anfänge und theoretischen Grundlagen der NMR in der Physik beschrieben. Damit soll deutlich werden, wie stark die Ziele und Strategien der frühen Methode von der organisch-chemischen Praxis abgegrenzt waren. Das Mentale Modell der chemischen Struktur bietet anschließend einen Erklärungsansatz für die Frage, warum die Organische Chemie als Subdisziplin stabil blieb, trotz der erheblichen experimentellen, theoretischen und sozialen Veränderungen durch die Einführung von Methoden wie der NMR. Dem Konzept der Research Technology folgend wird dann der Wandel der NMR von einer physikalischen zu einer chemischen Methode interpretiert. Der nächste inhaltliche Abschnitt stellt dar, wie die NMR zu einer auch in Europa verbreiteten chemisch-analytischen Standardmethode wurde. Daraufhin wird anhand der Gründungsgeschichte des Instrumentenherstellers Bruker die Frage behandelt, welche spezifischen Faktoren es ermöglichten, dass sich auch in Westdeutschland eine bedeutende NMR-Gemeinde etablieren konnte. Es folgt ein Abschnitt ← 18 | 19 → über die Funktion des Instrumentenherstellers bei diesem Vorgang, insbesondere die seiner Innovationsstrategie, welche mit den Komponenten Fourier-Transfer Verfahren, supraleitender Magnet und Computerisierung die instrumentellen Grundlagen legte, die bis heute die NMR bestimmen. Das nächste Kapitel zeigt, wie neue Instrumente die NMR in den 1970er Jahren weiter wachsen ließen, mehrdimensional aufgelöste Messverfahren ihre wissenschaftliche Eigenständigkeit verstärkten und es ihr gleichzeitig ermöglichten, sich auf die biologischen Disziplinen auszudehnen. Thematisiert wird aber auch, wie die Methode im medizinischen Bereich an Grenzen stieß, die nicht ohne grundlegende theoretische, soziale und instrumentelle Veränderungen überwunden werden konnten, sodass beim Übergang eine eigenständige neue Methode entstand, das Magnetic Resonance Imaging. Ein abschließender Überblick führt die wichtigsten Aussagen über die NMR-Entwicklung zusammen.

1.2. Die Anfänge der NMR in der Teilchenphysik

Die Theorie der NMR basiert auf gequantelten Energiezuständen, also der Quantenphysik. Spektrometrische Methoden erwiesen sich als geeigneter Weg, um Daten über die nun quantenmechanisch zu behandelnden Mikrosysteme der Atome, Moleküle und Ionen zu erhalten. Durch die Analyse von absorbierter, emittierter, oder gestreuter elektromagnetischer Strahlung konnten aus dieser Perspektive nicht nur durch bloßen Vergleich mit einer Referenz Qualität und Quantität einer Substanz bestimmt werden, sondern es wurden absolute numerische Daten über Valenzelektronen (Spektroskopie im UV und sichtbaren Licht), innere Elektronen (Röntgenspektroskopie), Ionen (Massenspektrometrie) und Molekülteile sowie einfache Moleküle (Infrarot, Raman) erhalten, die an das theoretische System der Quantenmechanik angepasst werden konnten. Solche spektrometrischen physikalischen Experimente halfen dabei, epistemische Dinge der Quantenmechanik wie Spin, Eigenzustand oder Elektron in wissenschaftliche Tatsachen umzuwandeln. In zwei Punkten trug die NMR zum experimentell-quantenphysikalischen Forschungsprogramm bei: Einerseits war sie als Forschungsobjekt die experimentelle Bestätigung einer theoretisch-quantenphysikalischen Vorhersage, andererseits ergänzte sie als Methode bekannte spektroskopische Verfahren, da sich die Physiker von ihr noch genauere Daten über Atomkerne erwarteten. Es ist also nicht sonderlich überraschend, dass die ersten Forschungsprogramme zur NMR in einer Zeit entstanden in der sich die neue Quantenmechanik als naturwissenschaftliches Paradigma durchsetzte.31 ← 19 | 20 →

Aufgrund von Beobachtungen der Hyperfeinstruktur von Atomspektren stellte Wolfgang Pauli (1900-1958) 1924 die Hypothese auf, dass Atomkerne ein magnetisches Moment besäßen, das mit der Umgebung wechselwirken könnte.32 Diese gerichteten Wechselwirkungen magnetischer Kernmomente mit anderen Magnetfeldern und mit Radiowellen sind die Basis der NMR-Theorie und Instrumentierung.

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Abb. 1: Stern-Gerlach Experiment, schematischer Aufbau.

In den 1920er und 1930er Jahren bestätigten gezielte Experimente Otto Sterns (1888-1969), Walther Gerlachs (1889-1979), Isidor Rabis (1898-1988)33 und anderer34 die Vorhersage gequantelter magnetischer Momente von Atomen ← 20 | 21 → und Atomkernen, waren aber auf das Verhalten einzelner Atome und einfacher Moleküle beschränkt.35 Stern und Gerlach verwendeten Silberatome in einem inhomogenen Magnetfeld und belegten die Richtungsquantelung des magnetischen Moments eines Atoms durch den Elektronenspin. Die Hamburger Gruppe um Stern baute die Atom- und Molekülstrahltechnik zur Messung magnetischer Momente weiter aus, denn mit optischen Methoden konnte die Hyperfeinstruktur nicht beobachtet werden.

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Abb. 2: Isidor I. Rabi

Rabi, der die Hamburger Kernphysiker besucht hatte, verwendete an der Columbia University Moleküle, deren Elektronenhülle kein magnetisches Gesamtmoment besaßen, verfeinerte die Methode zu einem im Prinzip doppelten Stern-Gerlach Experiment und isolierte damit experimentell die Ablenkung durch den Kernmagnetismus, die um den Faktor tausend geringer war als der durch Elektronen verursachte Effekt. Er regte die Moleküle mit Radiowellen bestimmter Frequenz an und konnte über die Resonanzbedingungen 1938 das magnetische Kernmoment des Protons mit einer inzwischen sehr komplex gewordenen Apparatur präzise bestimmen. Die Physiker maßen den Versuchen große Wichtigkeit bei als einer experimentellen Bestätigung der Quantentheorie, was auch daran abzulesen ist, dass Rabi bereits 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt für die Entwicklung einer Resonanzmethode mit der die magnetischen Eigenschaften der Atomkerne ermittelt werden konnten.36 Auch in der weiteren Verwendung der NMR war Rabi eine Schlüsselfigur.

Er arbeitete in Gasphase mit Molekülstrahlen, an denen sich keine Molekularstrukturen ermitteln ließen.37 Es dauerte noch einige Zeit, ehe sich überhaupt ← 21 | 22 → eine Möglichkeit zeigte, die Methode auch zur qualitativen chemischen Analyse verwenden zu können, denn die Versuche des Niederländers Cornelis Jacobus Gorter (1907-1980)38 scheiterten, den Effekt auch in kompakter Materie (Lithiumfluorid und Kaliumfluorid) nachzuweisen.39

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Abb. 3: Erste, mit dem Molekülstrahlverfahren gemessene NMR (LiCl). Die einzelnen Punkte sind bei unterschiedlicher Magnetfeldstärke ermittelt und in das Diagramm eingetragen.

Allerdings hatten diese Experimente Rabi zu seinem erfolgreichen Nachweis des Phänomens inspiriert, als er bei einem Besuch Gorters in den USA dessen Messkonzept kennenlernte. Zur Anregung der Moleküle40 modulierte Rabi Radiowellen und veränderte die Magnetfeldstärke bis zur Resonanz.41 ← 22 | 23 → Damit war das Messprinzip der NMR im Grunde bereits vorhanden. Zunächst gelang es aber 1944 in der Sowjetunion Elektronenspinresonanz (ESR) in Festkörpern aus paramagnetischen Molekülen zu messen,42 eine der NMR gleichende Methode, die allerdings in anderen Energiebereichen arbeitet. Vermutlich wäre es der Gruppe in der Sowjetunion ohne die Kriegsumstände gelungen, als erste NMR-Messungen an kondensierter Materie durchzuführen, denn sie war im Jahr 1941 fast so weit. Dann musste sie umziehen und konzentrierte die wenigen erhalten gebliebenen Ressourcen auf die apparativ weniger aufwändige ESR.43 Erst zur Jahreswende 1945/46 gelang es daher dann fast gleichzeitig, aber unabhängig voneinander, den Arbeitsgruppen der Physiker Felix Bloch (1905-1983)44 in Stanford,45 und Edward M. Purcell (1912-1997)46 in Harvard und am MIT,47 die Kernspinresonanz der Wasserstoffatome von Wasser, bzw. ← 23 | 24 → Paraffin experimentell reproduzierbar in kompakter Materie nachzuweisen. Purcell reichte seine Mitteilung Weihnachten 1945 bei der Physical Review ein, Blochs Notiz erreichte im Januar 1946 den Herausgeber. Bloch arbeitete mit getrennter Sender- und Empfängerspule, beide im Resonanzfall durch das kernmagnetische Moment induktiv gekoppelt. Purcell dagegen verwendete einen Resonator und eine einzige Spule die senkrecht zum Magnetfeld orientiert war und deren Impedanz in einer Brückenschaltung abgeglichen wurde. Am Abgleichsanzeiger wurde das Absorptionssignal bei entsprechender Magnetfeldstärke erkennbar. Der prinzipielle Aufbau der Stanford Gruppe mit einer geometrischen Trennung von Sender- und Empfängerspule wurde trotz des aufwändigeren Probenkopfes in den hochwertigen kommerziellen NMR-Geräten bevorzugt.

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Abb. 4: Probenkopf 1946, ca. 10 cm lang. Sender- und Empfängerspule sowie Probengefäß im runden Gehäuseteil rechts.

Billigere Geräte und Eigenbauinstrumente wurden nach der Einspulenbauart konstruiert. Bloch konnte die anspruchsvollere Bauart nur durch das technische Geschick und die Erfahrung seines Kollegen William Webster Hansen (1909-1949) realisieren. Gekoppelt an die praktische Konstruktion der Instrumente und die Durchführung der Messung war auch die theoretische Auslegung der beiden Experimente durchaus unterschiedlich. Obwohl Bloch bei Heisenberg in Leipzig promoviert48 und zur Gruppe um Born, Bohr, Pauli und Dirac gehört hatte, interpretierte er das für ihn zunächst theoretisch wenig bedeutende Experiment vorwiegend klassisch physikalisch, Purcell mit seinem theoretischen Interesse am Experiment dagegen quantenmechanisch. In Stanford wurde mit dem Zwei-Spulen-Aufbau die Induktion betont, denn man wollte durch den ← 24 | 25 → im äußeren Magnetfeld präzessierenden Kerndipol eine elektromotorische Kraft induzieren, der Effekt hieß hier Kerninduktion:49

By a quick-and-dirty calculation on the back of an envelope I convinced myself that the protons in about a cubic centimetre of water at resonance in a magnetic field of a few thousand gauss would induce in a surrounding coil a radio frequency voltage well above the noise of a normal radio receiver.

Das Radiowellensignal musste relativ intensiv sein, gemessen wurde eigentlich die Dispersion. Dagegen ermittelte die Gruppe in Harvard gezielt neue Daten zu quantenphysikalischen Größen. Sie betrachtete daher verschiedene Energieübergänge der Eigenzustände, die durch in Resonanz dazu befindliche schwächere Radiofrequenzen angeregt wurden, als Absorptionsvorgang und nannte den Effekt kernmagnetische Resonanzabsorption.50 Blochs anschaulichere und eher klassische Interpretation wurde bekannter, zudem kann sie auch den Effekt der Richtungsquantelung der Energie beschreiben. Dennoch konnten später entdeckte und für die chemische NMR wichtige Effekte wie die Spin-Spin-Kopplung mit Blochs Einordnung des Instruments nicht erklärt werden. Daher setzte sich nicht zuletzt in der generellen Bezeichnung der Methode der Begriff Purcells durch: Nuclear Magnetic Resonance.51

Um das kernmagnetische Moment eines Protons möglichst exakt zu messen,52 lieh sich Purcell Magnet und Signalquelle bei Kollegen in Harvard, konstruierte spezielle Polschuhe und suchte zunächst vergeblich nach dem Signal. Die Gruppe ließ eine relativ große Probenmenge Paraffin Stunden im Magnetfeld, da sie lange Relaxationszeiten erwartete, und versuchte die Homogenität des Magnetfeldes zu verbessern. Dann hörten sie von den entmutigenden Resultaten Gorters, die wegen der Geheimhaltung kurz nach dem Krieg nicht einfach einzusehen waren. Sie begannen, das Magnetfeld bei konstanter Radiowellenenergie zu variieren und erst nach vielen Variationen zeigte die Nadel des Anzeigeinstrumentes ein Absorptionssignal an. Dabei ließen sie die Probe teilweise mehrere Stunden lang im Magnetfeld – doch die Messdaten ergaben letztlich eine unerwartet kurze Relaxationszeit der Protonen von einigen Millisekunden.53 ← 25 | 26 →

Bloch wollte ein bereits 1939 in der experimentellen Tradition Rabis begonnenes Projekt54 fortführen, um das mit µn = 1.93 +/– 0.02 Kermagnetons gemessene magnetische Moment des Neutrons weiter zu präzisieren. Er setzte die mit dem Teilchenbeschleuniger in Berkeley begonnenen Versuche in Stanford fort, wo ihm ein vergleichbares Experimentalsystem zur Verfügung stand. Da bereits Messungen zum magnetischen Moment des Protons und des Deuteriumkernes vorlagen interessierte Bloch sich dafür ob sich die magnetischen Momente der Kernteilchen exakt additiv verhalten. Um hoch präzise Messungen zu erhalten, benötigte er einen genau kalibrierten Magneten. Dazu sollte aus Mangel an einer komplexen Molekülstrahlapparatur das der Erwartung nach weniger aufwändig darstellbare Kernresonanzsignal des Wassers als Messinstrument dienen – die negativen Ergebnisse Gorters waren auch Bloch noch nicht bekannt und das in der Kriegsforschung erworbene Wissen über Radioelektronik eröffnete diese praktische und kostengünstige Möglichkeit. Die Arbeitsteilung der Gruppe folgte dem instrumentellen Aufbau und belegt, dass Bloch zumindest zu dieser Zeit kein ’rein’ theoretischer Physiker mehr war:55

After Hansen came back, the work was divided into three parts: Hansen and Packard took care of the radio frequency components, Manning was to work on the circuits necessary for the 60-cycle modulation of the magnetic field and I had to prepare the required d.c. field.

Die Arbeitsteilung im Team war nie offiziell vorgeschrieben worden, aber Blochs Kollege William Hansen konstruierte den in einem Messingkästchen zwischen den Magnetpolen untergebrachten Probenkopf mit Vorverstärker, Sender- und Empfängerspule, Bloch modifizierte einen alten Labormagneten mit geeigneten Polschuhen und Sweepspulen – das sind regelbare elektrische Spulen deren Felder sich zu dem des großen Elektromagneten addieren, wodurch die Gesamtfeldstärke variiert werden kann. Blochs Schüler Martin Packard baute die Radiotechnik, den Verstärker und integrierte für die Anzeige ein ← 26 | 27 → Oszilloskop.56 Ein weiterer zunächst beteiligter Schüler Blochs, Lawrence Manning, verließ bald die Gruppe, um als Elektroingenieur zu arbeiten. Die Apparatur stand im Teilchenbeschleunigerlabor, um die Stromversorgung des dortigen Magneten nutzen zu können. Im Januar 1946 konnten sie nach längerem Suchen das Signal als kleinen Hügel am Oszilloskopschirm erkennen. Hansen, der offenbar mehr Vertrauen in das experimentelle Ergebnis hatte als sein Kollege, war im Gegensatz zu Bloch sofort überzeugt die Protonenresonanz des Wassers gefunden zu haben.

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Abb. 5/6: Fotografische Aufnahme eines Protonensignals von Wasser an drei Messpunkten (links). Die Variation des Magnetfeldes wurde anfangs noch kontinuierlich sinusförmig durchgeführt. Das Signal wurde durch Modulieren der Signalspannung erzeugt (rechts).

Die experimentelle Funktion des Versuchs setzte instrumentelle Prioritäten. In Stanford benutzte man im Gegensatz zu der Harvard-Gruppe ein damals noch recht teures Oszilloskop als bildgebendes Anzeigegerät. Dagegen erreichte der in Harvard verwendete Elektromagnet schon eine Feldstärke um 0.7 Tesla,57 während in Stanford ein mit 0.2 Tesla deutlich schwächerer Magnet geringerer Qualität verwendet wurde, der für das erwartete, sehr breite Signal ausreichen sollte. In Stanford fand die erste Beobachtung des unerwartet scharfen Signals ← 27 | 28 → eher zufällig beim Ausschalten des Magnets statt,58 da es außerhalb des erwarteten Resonanzbereichs auftrat, in dem die Magnetfeldstärke zur Suche kontrolliert variiert werden konnte. Wie in Harvard erwartete man andere Energien und überschätzte die Relaxationszeiten.59 Blochs Gruppe setzte die Probe zur Einstellung des Gleichgewichts für Stunden in starke Magnetfelder und darüber hinaus wurde paramagnetisches Eisennitrat als Relaxationsbeschleuniger zugesetzt, was die tatsächlich ermittelte Relaxationszeit von etwa drei Sekunden noch erheblich verringerte und die Messung erleichterte. Nachdem Hansen die Stabilität des Instruments durch technische Variationen des Probenkopfes verbessert hatte, konnte ein beständiges Signal detektiert werden. Die Messwerte waren identisch mit Rabis Molekülstrahlergebnissen und damit war das anfängliche Ziel eines billigen Molekülstrahlersatzes eigentlich erreicht.

Beide so unterschiedlich gewonnenen Ergebnisse legten ein identisches Phänomen nicht unbedingt nahe. Bloch hörte von Otto Stern, der damals in Berkeley war und mit dem er in Kontakt stand, vage Andeutungen über die Versuche in Harvard, auch I. Rabi scheint Nachrichten über Purcells Gruppe bei einem Besuch im Dezember 1945 nach Stanford gebracht zu haben,60 und als Hansen bei einem Besuch in Cambridge Purcell traf, verdichteten sich die Informationen. Die Ergebnisse mussten dann direkt miteinander besprochen werden:61

I did not meet Ed [Purcell] until the spring meeting of the American Physical Society where both groups presented their results. The two of us then had a private talk to compare our respective approaches and it seemed at first as if Harvard and Stanford belonged to distant countries of entirely different language.

Nach kurzer 'Verwirrung'62 einigten sich die beiden Physiker darauf, dass es sich um den gleichen Effekt handelt und beide Messprinzipien äquivalent sind. Sie konnten trotz der unterschiedlichen Funktion ihrer Experimente auf gleiche ← 28 | 29 → theoretische Grundlagen und gleiche Experimentalkulturen zurückgreifen, und so eine gemeinsame Sprache finden. Purcells Resonanzfrequenz entsprach damit der Larmorfrequenz63 der Blochschen Kerninduktion. Die parallelen Versuche zeigen, wie lokal unterschiedliche experimentelle Erwartungen den experimentellen Aufbau und die theoretische Interpretation der Ergebnisse beeinflussen, und weiter wie durch das "Herumtappen" beide Experimentalsysteme in der Lage waren, erheblich von der theoretischen Erwartung abweichende Ergebnisse zu registrieren. Diese Messungen und Interpretationen waren für die Fachgenossen bedeutend genug, um Bloch und Purcell dafür schon 1952 den Nobelpreis zu verleihen. Physiker begannen damit, die genauen Eigenschaften des NMR-Effekts zu untersuchen, denn die Methode musste hinreichend abgesichert werden um anerkannte Daten atomarer Eigenschaften wie dem kernmagnetischen Moment liefern zu können.64 NMR kann zwar nur bei Kernen beobachtet werden, die ein solches Moment besitzen, aber über 100 Elemente, bzw. Isotope erfüllen diese Grundbedingung. Nur Kerne mit gerader Massen- und Ordnungszahl wie 12C besitzen kein kernmagnetisches Moment. Eine solche Methode erschien lohnenswert, denn sie erreichte theoretisch einen großen Teil aller existierenden Atome.

Die frühe Entwicklung der NMR wurde von einer internationalen Gemeinschaft von Physikern geleistet, die mit Mikrowellen und Molekülstrahlexperimenten arbeiteten und diese quantenmechanisch interpretierten – mit bedeutenden Beiträgen aus den USA, der Schweiz, den Niederlanden, Großbritannien, der Sowjetunion und Deutschland. Schon die stark verkürzte Darstellung der gültigen NMR-Basistheorie zeigt die historischen Wurzeln der Methode in der Atom- und Quantenphysik: Ursache des magnetischen Kernmoments ist die durch den Kernspin bewegte elektrische Ladung. Der richtungsabhängige Kernspindrehimpuls, kurz Spin, tritt in gequantelten Größen auf, ausgedrückt durch die Spinquantenzahl I. Im einfachsten Fall des Wasserstoffs ist I = 1/2. Theoretisch ist bei diesem einen Zustand keine Anregung von Energieübergängen, also auch keine Spektroskopie möglich. Wird nun in der NMR ein starkes äußeres Magnetfeld H0 angelegt, entstehen wegen des Zeeman Effekts 2I + 1 mögliche, diskrete Energieniveaus oder Eigenzustände, die nach Schrödinger durch Eigenfunktionen beschreibbar sind; beim sehr einfachen Beispiel Wasserstoff sind es zwei. Jeder dieser Energieeigenzustände kann entsprechend der magnetischen ← 29 | 30 → Feldrichtung ganz bestimmte Werte annehmen, die durch die Magnetquantenzahl m = I, I - 1, I - 2,... -I gekennzeichnet werden.

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Abb. 7/8: Eigenwerte des Wasserstoffkerns im äußeren Magnetfeld H0 (links). Schema der Ausrichtung eines Wasserstoffkernes im äußeren magnetischen Feld H0 (rechts).

Im Fall des Wasserstoffkerns ist für m daher ½ und - ½ möglich. Das beschreibt die hinsichtlich eines in z-Achse liegenden äußeren Feldes parallele, bzw. antiparallele Ausrichtung des Kernspins. Das kernmagnetische Feld präzessiert um das äußere Feld, der Kern ist ein magnetischer Dipol. Der vom äusseren Feld abhängige Energieunterschied der beiden möglichen Niveaus beträgt genau 2μzH0. Die theoretischen Beschreibungen von Bloch und Purcell sind nach diesem Formalismus also völlig äquivalent: wird das Kernspinsystem mit elektromagnetischer Strahlung geeigneter Wellenlänge angeregt, können Übergänge zwischen den Eigenzuständen verursacht werden, d.h. die Orientierung der Präzession "klappt um". Die dazu geeignete elektromagnetische Strahlung liegt im Radiowellenbereich. Durch Quantenzahlen und deren Auswahlbedingungen sind die anregbaren Energieübergänge, die das resultierende Energiespektrum bilden, theoretisch genau festgelegt. Als Auswahlkriterium gilt die Bohrsche Gleichung μzH0/I = hν0.65 Die so definierte Resonanzfrequenz ν0 wird als Larmorfrequenz bezeichnet und gibt die Basisresonanz der isolierten Kerne bei einem bestimmten äußeren Magnetfeld an. Da diese Größe also auch ein Ausdruck für die Stärke des angelegten äußeren Magnetfeldes ist, werden die ← 30 | 31 → Magnetfeldstärken von NMR-Spektrometern üblicherweise durch die erreichbare Larmorfrequenz des Wasserstoffkerns ausgedrückt.

Tab. 1: Beziehung zwischen Magnetfeldstärke und Resonanzfrequenz

Magnetfeld B0 1H-Larmorfrequenz ν0
1.41 Tesla 60 MHz
2.11 Tesla 90 MHz
2.35 Tesla 100 MHz
4.70 Tesla 200 MHz
7.05 Tesla 300 MHz
9.40 Tesla 400 MHz
11.75 Tesla 500 MHz
14.09 Tesla 600 MHz

Je höher die Frequenz, d.h. die Aufspaltung der Energieniveaus, desto stärker der verwendete Magnet. Eine NMR-Messung war erst durch das äußere Magnetfeld möglich geworden, die Messgröße wurde also durch Wissenschaftler und Instrumente gezielt erzeugt.

Im Prinzip werden die Kernspins im angelegten Magnetfeld ausgerichtet und durch eingestrahlte Radiowellen aus dieser Ausrichtung abgelenkt. Je stärker das äußere und innere magnetische Feld, desto mehr Energie ist notwendig, um die Auslenkung zu erreichen. Beim NMR-Experiment mit größeren Mengen an Substanz befinden sich nun nicht alle Kerne im Grundzustand und können die Larmorfrequenz absorbieren. Die statistische Besetzung der einzelnen Energieniveaus wird durch die Boltzmannverteilung ausgedrückt. Da der Übergang bereits von den energetisch sehr schwachen Radiowellen angeregt werden kann, liegen die Energieniveaus nahe beieinander. Der energetische Vorteil im Grundzustand ist somit klein, deshalb ist der statistische Besetzungsüberschuss des niedrigen Energieniveaus, das beim beobachteten Resonanzeffekt angeregt wird, relativ gering.66 ← 31 | 32 →

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Abb. 9: Energiebereich spektroskopischer Methoden und angeregte Strukturelemente.

Gleichzeitig wird durch die Strahlung auch der Übergang vom höheren zum niedrigeren Energiezustand ausgelöst und nur durch den geringen Besetzungsunterschied lässt sich makroskopisch eine Absorption beobachten. Daher finden von außen messbare Energieübergänge nur selten statt und die NMR ist prinzipiell eine recht unempfindliche Methode (die Empfindlichkeit der in Abb. 9 dargestellten Methoden steigt von links nach rechts). Die sehr kleinen, messbaren Resonanzeffekte unterscheiden sich quantitativ kaum von thermischen Rauscheffekten. Allein das stabile Darstellen identifizierbarer NMR-Signale erfordert somit hohe messtechnische Präzision und Versuche, die Empfindlichkeit der Methode zu verbessern, waren ein Leitmotiv der NMR-Instrumentenentwicklung.

Wenn alle Spinzustände durch Radiowellen angeregt worden sind, ist keine weitere Absorption möglich, das NMR-Signal müsste verschwinden. Dies ist nicht der Fall. Verantwortlich dafür sind Ereignisse, bei denen die Kernspinsysteme Energie abgeben und wieder in den Grundzustand übergehen können. Diese sogenannte Relaxation wird in zwei Kategorien unterteilt. Einerseits findet sie statt durch Energieabgabe an umgebende Substanz in Form von Wärme, die Spin-Gitter Relaxation, andererseits an benachbarte Spinsysteme, genannt Spin-Spin Relaxation. Die durchschnittliche Geschwindigkeit dieser Vorgänge wird mit den Zeiten T1, bzw. T2 ausgedrückt, sie reicht aus dafür zu sorgen, dass bei dosierter Anregung genügend Spinsysteme im Grundzustand vorhanden sind, um ein registrierbares Absorptionssignal zu ergeben. Da die Relaxationsgeschwindigkeiten bestimmen wann sich das System nach begonnener Anregung wieder im Gleichgewicht befindet sind sie für die Messzeit entscheidend.

Soweit in groben Zügen die physikalischen Grundlagen der Methode, die in der ersten Phase bis 1946 durch physikalische Experimente nicht nur in das bestehende Theoriengebäude der modernen Physik eingegliedert werden konnte, ← 32 | 33 → sondern im Gegenzug auch die Quantentheorie experimentell stützte. Purcell und andere Atomphysiker waren daran interessiert, mit der Methode die Basisgrößen einzelner Atomkerne genau zu bestimmen, vor allem das magnetische Moment der vielen Kerne, die NMR-aktiv sind. Bloch wollte mit ihr zunächst ein anderes kernphysikalisches Experiment stabilisieren. Die frühe NMR bewegte sich in durch die physikalisch-quantenmechanische Theorie und ihren epistemischen Dingen vorgegebenen Experimentalsystemen. Sie wurde von einem kleinen Kreis akademischer Physiker betrieben, die mit selbst gebastelten oder konstruierten Instrumenten arbeiteten welche ihren ganz spezifischen Forschungserwartungen genügten.

Ein NMR-Instrument besteht wie alle Spektrometer generell aus einer Strahlungsquelle, einer Messzelle und einem Detektor. Die Messzelle ist ein Probenröhrchen das sich im möglichst homogenen Teil des Feldes eines starken Magneten befindet. Als Strahlungsquelle oder Sender dienen Spulen eines Schwingkreises, dessen Eigenschaften sich bei Resonanzerscheinungen durch Induktion verändern, der somit auch als Detektor dienen kann. Die Veränderungen wurden mittels einer Messbrücke isoliert, elektronisch verstärkt und auf einem Bildschirm, später in der Regel mit einem x,y-Schreiber registriert. Kriegsbedingt intensiv weiter entwickelte Radio- und Radartechnik förderte erheblich die Möglichkeiten der elektronischen Komponenten von Strahlungsquelle, Detektor und Verstärker, vor allem aber das Know-how vieler Experimental-, Molekül- und Atomphysiker.67 Die Wissenschaftler wollten sich als nützlich erweisen und es gab konzeptionelle Überschneidungen zwischen Forschungs- und Rüstungsprojekten, so war es kein Zufall, dass die Mehrzahl der NMR-Pioniere während des Zweiten Weltkrieges in enger Verbindung mit der Radarentwicklung stand: Hansen, der wohl begabteste Instrumentenbauer in Stanford, arbeitete während des Krieges an einem Radarprojekt der Sperry Laboratories auf Long Island, Bloch und Purcell ebenfalls an Radarprojekten im Radio Research Laboratory in Harvard bzw. am Radiation Laboratory des MIT.68 Obwohl die ← 33 | 34 → Laboratorien Purcells und Blochs nur wenige hundert Meter voneinander entfernt waren, trafen sie sich dort nur einmal persönlich, bei der Nobelpreisfeier für Rabi 1944, zu dem beide engeren Kontakt hatten.69 Bloch arbeitete nach einem weniger glücklichen, kurzen Aufenthalt in Los Alamos ab 1942 unter dem ebenfalls aus Stanford stammenden Direktor Frederick E. Terman an Radar-Gegenmaßnahmen. Purcell, Robert V. Pound und Henry C. Torrey wurden Experten für die Entwicklung empfindlicher Radio- und Mikrowellentechnik,70 wollten aber wie Bloch nach dem Krieg wieder als Physiker in der Forschung und nicht als Ingenieure arbeiten.

Doch bereits bei der Radararbeit konnte Purcell, der vom Forschungsdirektor I. Rabi zur Arbeit am Radiation Laboratory eingeladen worden war, Rotations-Absorptionen des Wassers bei etwa 1.25 cm Wellenlänge feststellen, denn die Reichweite der Apparate sank drastisch durch diese sogenannte K-Band Katastrophe. Theoretiker erarbeiteten eine Erklärung des Phänomens und Purcell studierte genau das molekulare Rotationssystem mit zwei Energieniveaus – das lenkte Purcells Interesse, denn ein ganz ähnliches System stellte die NMR-Absorption des Wasserstoffs dar. Am Radiation Laboratory kam er auch in näheren Kontakt mit den Mitarbeitern Rabis und den Molekularstrahlexperimenten. Die Erfahrungen in der Kriegsforschung gingen in die Planung des NMR-Experiments ein, welches er dann im universitärem Umfeld durchführen konnte. Das neue Wissen um die elektronischen Komponenten schlug sich im Instrumentenbau kurz nach dem Krieg nieder. Obwohl die Gruppen Purcells in Harvard und Blochs in Stanford unabhängig voneinander arbeiteten, verwendeten sie für ihre Sender und variablen Magnetfelder ähnliche Bauteile. Sie arbeiteten in einem Radiofrequenzbereich, in dem bereits fertig entwickelte elektronische Komponenten erhältlich waren und vermieden die technisch schwierige Modulation des Senderschwingkreises. Das konnten beide Gruppen aufgrund ihrer elektronischen Erfahrung in der Radarforschung genau einschätzen. Ebenso wie die theoretisch-quantenmechanischen Berechnungen in das Experiment ← 34 | 35 → eingingen schlugen sich hier also auch technische Gegebenheiten nieder. Packard berichtet über die Zusammenarbeit mit Bloch und Hansen:71

The jargon we developed came from our individual experience in the radar business. The techniques which we used were well known. We were familiar with the detection of weak signals in the presence of a strong source and the use of orthogonal decoupling.

Details

Seiten
465
ISBN (PDF)
9783653044867
ISBN (ePUB)
9783653999846
ISBN (MOBI)
9783653999839
ISBN (Hardcover)
9783631607459
Sprache
Deutsch
Erscheinungsdatum
2014 (März)
Erschienen
Frankfurt am Main, Berlin, Bern, Bruxelles, New York, Oxford, Wien, 2014. 465 S., 94 s/w Abb., 7 Tab.

Biographische Angaben

Thomas Steinhauser (Autor:in)

Thomas Steinhauser studierte Chemie, Italienisch und Wissenschaftsgeschichte an der Universität Regensburg, wo er 2009 promovierte. 2008 war er als Scholar in Residence am Deutschen Museum in München, dann arbeitete er bis 2011 zusammen mit drei Kollegen am Jubiläumsband zur Geschichte des Fritz-Haber-Instituts der MPG in Berlin. Gegenwärtig ist er an der Universität Bielefeld in einem Projekt über Grenzwerte chemischer Verbindungen beschäftigt.

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Titel: Zukunftsmaschinen in der Chemie