Сигбан Карл Манне Георг

3 декабря 1886 г. – 25 сентября 1978 г. Нобелевская премия по физике, 1924 г.

Шведский физик Карл Манне Георг Сигбан родился в городке Ёребро в семье начальника железнодорожной станции Георга Сигбана и Эммы Софии Матильды (в девичестве Цеттерберг) Сигбан. После поступления в Лундский университет (1906 г.) Сигбан сразу увлекся физикой. В 1908 г. он начинает работать в качестве служащего в Институте физики при университете, в 1908 г. получил степень бакалавра, а в 1910 г. степень магистра (побывав предварительно в университетах Гёттингена и Мюнхена). В качестве ассистента Йоханнеса Ридберга в Лунде Сигбан изучает электромагнетизм и в 1911 г. защищает докторскую диссертацию об измерениях магнитного поля. Проведя лето 1911 г. в Берлинском и Парижском университетах, он остается в Лундском университете лектором по физике.

Заинтересовавшись рентгеновскими лучами, особенно после посещения лабораторий в Париже и Гейдельберге, Сигбан в конце 1913 г. приступает к самостоятельным исследованиям рентгеновского излучения. Позднее он вносит в эту область физики основополагающий вклад не только своими открытиями, но и своими приборами, позволившими производить прецизионные измерения.

Вильгельм Рентген назвал Х-лучами (х – неизвестные) открытые им в 1895 г. таинственные лучи, исходившие при электрическом разряде из конца ваккумной стеклянной трубки, противоположного отрицательному электроду (катоду). Новые Х-лучи обладали поразительной способностью проходить сквозь непрозрачные предметы. После открытия Дж.Дж. Томсоном в 1897 г. электрона стало ясно, что таинственные лучи возникали; когда испущенные катодом быстро движущиеся электроны сталкивались с другими частями трубки. Ученые начали подозревать, что Х-лучи могут оказаться электромагнитным излучением, таким, как свет и тепло, но обладающим большей проникающей способностью. Но поскольку частоты рентгеновского излучения были слишком велики (длины волн слишком малы), имевшиеся в ту пору приборы не позволяли обнаружить такие знакомые явления, как преломление, поляризация, дифракция и интерференция (все они наблюдаются в случае видимого света). Сначала возможности экспериментаторов были ограничены только измерением относительной способности рентгеновских лучей проникать сквозь различные материалы разной толщины – это свойство лучей получило название жесткости. Однако экспериментаторы сумели заметить, что различные химические элементы, используемые в качестве мишеней в рентгеновской трубке, испускают характерное рентгеновское излучение различной жесткости.

Чарлз Дж. Баркла испытал ряд элементов и показал, что жесткость (частота) рентгеновского излучения возрастает с увеличением атомного веса до тех пор, пока не достигнет некоторого порогового атомного веса, после чего возникает новое семейство более мягких рентгеновских лучей. Испытывая элементы с еще большим атомным весом, Баркла обнаружил, что и более мягкие рентгеновские лучи становятся жестче. Баркла назвал эти группы лучей К- и L-излучением. Баркла же обнаружил поляризацию рентгеновского излучения, что еще больше укрепило надежды тех, кто видел в рентгеновском излучении «близкого родственника» света. Не слишком тонкие методы, с помощью которых было обнаружено К- и L-излучение, не позволяли разделять рентгеновское излучение по частоте или длине волны, т.е. разложить на линии спектра. Разложить видимый свет можно с помощью дифракционной решетки, у которой расстояние между соседними штрихами сравнимо с длиной волны света. Было ясно, что длины волн рентгеновского излучения в 100…1000 раз меньше, чем длины волн видимого света. Макс фон Лауэ обратил внимание на то, что расстояния между атомными плоскостями в кристалле настолько малы, что позволяют рассматривать кристалл как своего рода дифракционную решетку для рентгеновского излучения. Эксперимент показал правоту фон Лауэ, положив начало развитию рентгеновской спектроскопии. У.Л. Брэгг вывел простую формулу, связывающую угол, под которым рентгеновские лучи входят в кристалл и выходят из него, с длиной волны рентгеновского излучения и расстоянием между воображаемыми плоскостями, проходящими через атомы в кристаллической решетке. Отец Брэгга У.Г. Брэгг построил первый настоящий рентгеновский спектрометр, используя ионизационную камеру для измерения рентгеновского излучения, выходящего из кристалла, и получил спектральные линии на тех длинах волн, которые, как он установил, характерны для материала источника рентгеновского излучения.

Молодой английский физик Генри Г.Дж. Мозли совершил с помощью спектрометра фундаментальное открытие. Заменив ионизационную камеру фотодетектором, он обнаружил большее число характерных линий в рентгеновских спектрах, чем Брэгг, и показал, что эти линии в общем случае могут быть разделены на две группы. Одну из групп, с более короткими длинами волн, Мозли отождествил с К-излучением Баркла, а другую, с более длинными волнами, – с L-излучением. В отличие от более разнородных оптических спектров рентгеновские спектры различных элементов были аналогичны друг другу, но начинались при тем большей частоте, чем более тяжелые атомы использовались в качестве источника рентгеновского излучения.

Мозли открыл, что ключом к рентгеновским спектрам является не атомный вес, а атомный номер. Согласно модели атома, впервые предложенной Эрнестом Резерфордом в 1911 г. и разработанной более подробно Нильсом Бором в 1913 г., весь положительный заряд и почти вся масса атома состредоточены в центральном ядре. Ядро окружено электронами, каждый из которых несет единицу отрицательного заряда и имеет очень маленькую массу. Число электронов равно заряду ядра, поэтому атом в целом электрически нейтрален. Атомный вес отражает главным образом массу ядра. Атомный номер равен положительному заряду ядра, или, что эквивалентно, числу электронов в нетральном атоме. Соотношение между частотой (положением в рентгеновском спектре) и атомным номером известно как закон Мозли и играет важную роль в атомной физике.

Сигбан продолжил исследования рентгеновского излучения в духе той же традиции, распространив измерения линий К-серии Баркла на более тяжелые элементы. Стесненные скудным финансированием и недостатком нужных приборов в Лунде, Сигбан и его ученики тем не менее выполнили весьма впечатляющие исследования. Талантливый инженер и создатель приборов, Сигбан непрестанно совершенствовал оборудование, конструируя рентгеновские трубки все большей интенсивности, изготавливая оригинальные вакуумные насосы, совершенствуя спектрометры для измерения длин волн со все большей точностью. Когда поглощение более длинных волн воздухом стало препятствием, он построил вакуумный спектрометр. Когда потребовались более точные измерения, он сконструировал три различных спектрометра, приспособленных к условиям измерения в трех различных диапозонах длин волн, тем самым существенно отклонившись от первоначального проекта Брэгга. Введенные новшества позволили Сигбан и его ученикам открыть много Новых линий в К- и L-сериях (например, установить, что одна линия в К-излучении в действительности представляет собой две почти слившиеся линии), распространить измерения на легкие и тяжелые элементы, исследовать рентгеновские спектры поглощения и обнаружить две новые серии, которые он обозначил М и N.

Работы Сигбана дали много новых сведений практически обо всех элементах (от натрия до урана) и способствовали лучшему пониманию структуры атома на основе модели Бора. В этой простой модели (которая сильно изменилась с того времени) электроны обращаются вокруг ядра не по любым, а только по «разрешенным» орбитам. Переходя при возбуждении на более высокие орбиты (например, при попадании электронного пучка на мишень в рентгеновской трубке), электроны затем возвращаются на более низкие орбиты, испуская приобретенную при возбуждении энергию в форме дискретных порций (фотонов) электромагнитной энергии. Энергия фотона равна разности энергий между верхней и нижней орбитой. Если возбуждение не слишком велико, то переходы происходят между внешними орбитами и испущенные фотоны обладают сравнительно малыми энергиями. Отец квантовой теории Макс Планк показал, что частота излучения пропорциональна энергии фотона. Таким образом, низкоэнергетические фотоны представляют собой низкочастотное (длинноволновое) излучение, или свет. При более сильном возбуждении, например в рентгеновской трубке, в переход вовлекаются внутренние электроны. Происходит более глубокое «падение» с возбужденной орбиты, и поэтому испущенные фотоны обладают большей энергией. Большая энергия соответствует более высоким частотам (и более коротким длинам волн), и атом испускает рентгеновское излучение. Точное знание длин волн рентгеновского излучения позволяет глубоко заглянуть в структуру атома.

В 1922 г. Сигбан становится профессором физики в Упсальском университете, где для экспериментальных исследований имелись более широкие возможности. В Упсале он и его ученики продолжили исследования рентгеновских лучей, в особенности в длинноволновом диапазоне. В 1924 г. им удалось продемонстрировать преломление такого рентгеновского излучения стеклянной призмой, т.е. осуществить эксперимент, не удававшийся до них многим исследователям, включая самого Рентгена. Это убедило всех тех, у кого еще оставались сомнения в том, что рентгеновское излучение действительно представляет собой электромагнитное излучение.

Сигбану была вручена Нобелевская премия по физике за 1924 г. «за открытия и исследования в области рентгеновской спектроскопии». В Нобелевской лекции «Рентгеновские спектры и структура атомов» («The X-Ray Spectra and the Structure of the Atoms») Сигбан сказал, что стимулом для исследований рентгеновских лучей дослужило не просто желание дать им более широкое применение в медицине, но и понимание того, что «рентгеновские лучи дают нам возможность заглянуть внутрь атома. Вся информация о том, что происходит с этой области физических явлений, передается, так сказать, на языке рентгеновских лучей. Этим языком мы должны овладеть, если хотим понять и научиться надлежащим образом интерпретировать полученную информацию».

Чтобы повысить точность спектрографических измерений, Сигбан и его коллеги разработали устройство для изготовления прецизионных дифракционных решеток. С помощью этих решеток им удалось достичь рекордных длин волн, которые до них не исследовал ни один экспериментатор. Новые решетки позволили им сравнить длины волн рентгеновского излучения непосредственно с длинами волн видимого света и тем самым получить подтверждение более ранних измерений.

Когда в 1937 г. при Шведской королевской академии наук был основан Нобелевский институт физики, Сигбан был назначен его директором. Находясь на этом посту, он продолжал как спектроскопические исследования, так и работы по ядерной физике. Через год в институте был построен первый в Швеции ускоритель. Во время второй мировой войны институт принял многих ученых-эмигрантов, которые внесли немалый вклад в осуществление теоретических исследовательских программ. После войны Сигбан расширил тематику института и всячески способствовал работам по исследованию структуры атомного ядра. В 1946 и в 1953 гг. он нанес визит своим коллегам в Соединенных Штатах, побывав в таких научных учреждениях, как Калифорнийский университет, Массачусетский технологический институт и Чикагский университет. После выхода в отставку в 1964 г. он остался в Нобелевском институте, где продолжал исследования.

В 1914 г. Сигбан вступил в брак с Карин Нёгбом. У них родились двое сыновей. Младший, Кай Сигбан, также стал известным физиком. Сигбан умер в возрасте 91 года 25 сентября 1978 г. Коллеги отзывались о нем как о человеке простом и душевном, а его новаторские работы, по словам Герхарда Херцберга, «заложили экспериментальную основу атомной теории и останутся в памяти поколений физиков».

Сигбан был членом Международного комитета мер и весов (1937), а с 1938 по 1947 г. возглавлял Международный союз теоретической и прикладной физики. Кроме Нобелевской премии, он был удостоен медали Хьюза (1934) и медали Румфорда (1940) Лондонского королевского общества и медали Даддела Лондонского физического общества (1948). Ему были присвоены почетные ученые степени многими университетами, в том числе Фрейбургским и Парижским, он состоял членом Лондонского королевского общества, Эдинбургского королевского общества и Французской академии наук.

www.library.by

Бор Оге Нильс

Род. 19 июня 1922 г. Нобелевская премия по физике, 1975 г. совместно с Бенжамином Р. Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером Датский физик Оге Нильс Бор родился в Копенгагене и был четвертым из шести сыновей Маргарет (в девичестве Норлунд) Бор и Нильса Бора. Воспитываясь в атмосфере Института теоретической физики (ныне Институт Нильса Бора) в Копенгагене, который возглавлял…

Цернике Фриц

16 июля 1888 г. – 10 марта 1966 г. Нобелевская премия по физике, 1953 г. Нидерландский физик Фриц Цернике родился в г. Амстердаме и был вторым из шести детей Карла Фредерика Августа Цернике, директора начальной школы, учителя математики и автора нескольких учебников по математике, и Антье (в девичестве Диперник) Цернике, также учителя математики. Мальчиком он…