Карл Мане Георг Зигбан (Karl Manne Georg Siegbahn)
3 декември 1886 г. – 25 септември 1978 г.
Нобелова награда за физика, 1924 г.
(За откритията и изследванията му в областта на рентгеновата спектроскопия)
Шведският физик Карл Мане Георг Зигбан е роден в градчето Йоребро в семейството на началника на железопътна гара Георг Зигбан и Ема София Матилда (с моминско име Цетерберг) Зигбан. След постъпването си в Лундския университет (1906 г.) Зигбан веднага се увлича от физиката. През 1908 г. започва да работи като служител в Института по физика към университета, през 1909 г. получава степента бакалавър, а през 1910 г. степента магистър (като преди това посещава университетите в Гьотинген и Мюнхен). Като асистент на Йоханес Ридберг в Лунд изучава електромагнетизма и през 1911 г. защитава докторска дисертация за измерването на магнитното поле. След като прекарва лятото на 1911 г. в Берлинския и Парижкия университет, остава в Лундския университет като лектор по физика.
Заинтересован от рентгеновите лъчи, особено след като посещава лабораториите в Париж и Хайделберг, в края на 1913 г. Зигбан пристъпва към самостоятелни изследвания на рентгеновото излъчване. По късно той дава в тази област на физиката основополагащ принос не само със своите открития, но и със своите прибори, позволяващи да се правят прецизни измервания.
Вилхелм Рентген нарекъл Х-лъчи (х - неизвестни) откритите от него през 1895 г. тайнствени лъчи, изпускани при електрически разряд от края на вакуумна стъклена тръба, противоположен на отрицателния електрод (катода). Новите Х-лъчи притежавали поразителната способност да преминават през непрозрачни предмети. След откриването на електрона през 1897 г. от Дж. Томсън станало ясно, че тайнствените лъчи се появяват, когато изпусканите от катода бързо движещи се електрони се сблъскват с други части на тръбата. Учените започват да подозират, че Х-лъчите могат да се окажат електромагнитно излъчване, подобно на светлината и топлината, но притежаващо по-голяма проникваща способност. Но тъй като честотите на рентгеновото излъчване били прекалено големи (дължините на вълните са прекалено малки), наличните по това време прибори не позволявали да се открият познати явления като пречупване, поляризация, дифракция и интерференция (наблюдавани при видимата светлина). Отначало възможностите на експериментаторите били ограничени само с измерване на относителната способност на рентгеновите лъчи да проникват през различни материали с различна дебелина - това свойство на лъчите е прието да се нарича твърдост. Но експериментаторите успели да забележат, че различните химически елементи, използвани за мишена в рентгеновата тръба, изпускат характерно рентгеново излъчване с различна твърдост.
Чарлз Дж. Баркла експериментира с редица елементи и доказва, че твърдостта (честотата) на рентгеновото излъчване нараства с увеличаване на атомното тегло, докато не се достигне определено пределно атомно тегло, след което се появява нов клас по-меки рентгенови лъчи. Експериментирайки с елементи с още по-големи атомни тегла, Баркла открива, че и по-меките рентгенови лъчи стават по-твърди. Баркла нарича тези групи лъчи К- и L-излъчване. Той открива и поляризацията на рентгеновото излъчване, което укрепва още повече надеждите на тези, които виждат в рентгеновото излъчване "близък родственик" на светлината.
Не много прецизните методи, с помощта на които било открито К- и L-излъчването, не позволили да се раздели рентгеновото излъчване по честота или дължина на вълната, или да се разложи на спектрални линии. Видимата светлина може да се разложи с дифракционна решетка, при която разстоянието между съседните щрихи е сравнимо с дължината на светлинната вълна. Ясно било, че дължината на вълните на рентгеновото излъчване е 100...1000 пъти по-малка от дължината на вълните на видимата светлина. Макс фон Лауе обръща внимание на това, че разстоянието между атомните плоскости в кристала са толкова малки, че позволяват кристалът да бъде разглеждан като дифракционна решетка за рентгеновото излъчване. Експериментите доказват правотата на Лауе, като поставят началото на развитието на рентгеновата спектроскопия. У.Л. Брег извел проста формула, свързваща ъгъла, под който рентгеновите лъчи влизат в кристала и излизат от него, с дължината на вълната на рентгеновото излъчване и разстоянието между въображаемите плоскости, преминаващи през атомите в кристалната решетка. Бащата на Брег, У.Г. Брег, създал първия истински рентгенов спектрометър, използвайки йонизационна камера за измерване на рентгеновото излъчване, излизащо от кристала, и получил спектралните линии за тези дължини на вълните, които, както установил, са характерни за материала на източника на рентгеновото излъчване.
Младият английски физик Х.Дж. Мозли направил с помощта на спектрометъра фундаментално откритие. Като заменил йонизационната камера с фотодетектор, той открил по-голям брой характерни линии в рентгеновите спектри от Брег и доказал, че тези линии, общо взето, могат да се разделят на две групи. Едната от групите, с по-кратки дължини на вълните, Мозли отъждествил с К-излъчването на Баркла, а другата, с по-дълги вълни - с L-излъчването. За разлика от по-разнородните оптически спектри рентгеновите спектри на различните елементи били аналогични помежду си, но започвали с толкова по-голяма честота, колкото по-тежки атоми се използвали за източник на рентгеново излъчване.
Мозли открил, че ключ за рентгеновия спектър не е атомното тегло, а атомният номер. Според модела на атома, предложен за първи път от Ърнест Ръдърфорд през 1911 г. и разработен по-подробно от Нилс Бор през 1913 г., целият положителен заряд и почти цялата маса на атома са съсредоточени в централното ядро. Ядрото е заобиколено от електрони, всеки от които носи единица отрицателен заряд и има много малка маса. Броят на електроните е равен на заряда на ядрото, затова атомът като цяло е електрически неутрален. Атомното тегло отразява преди всичко масата на ядрото. Атомният номер е равен на положителния заряд на ядрото, или, което е еквивалентно, на броя на електроните в неутралния атом. Съотношението между честотата (положението в рентгеновия спектър) и атомния номер е известно като закон на Мозли и играе важна роля в атомната физика.
Зигбан продължил изследването на рентгеновото излъчване в духа на същата традиция, разпростирайки измеренията на линиите на К-серията на Баркла върху по-тежките елементи. Притиснати от оскъдните финансови средства и недостига на прибори в Лунд, той и неговите ученици въпреки всичко направили доста впечатляващи изследвания. Талантлив инженер и създател на прибори, Зигбан непрекъснато усъвършенствал оборудването, конструирайки рентгенови тръби с все по-голяма интензивност, изготвяйки оригинални вакуумни помпи, усъвършенствайки спектрометрите за измерване на дължините на вълните с все по-голяма точност. Когато поглъщането на по-дългите вълни от въздуха се превърнало в препятствие, той изработил вакуумен спектрометър. Когато се наложили по-точни измерения, конструирал три различни спектрометъра, приспособени към условията за измерване в три различни диапазона на дължините на вълните, с което съществено се отклонил от първоначалния проект на Брег. Нововъведенията позволили на Зигбан и неговите ученици да открият много нови линии в К- и L-сериите (например да установят, че една линия в К-излъчването в действителност представлява две почти слели се линии), да разпрострат измерванията върху леките и тежките елементи, да изследват рентгеновите спектри на поглъщане и да открият две нови серии, които Зигбан означил с М и N.
Дейността на Зигбан дава много нови сведения практически за всички елементи (от натрия до урана) и помага за по-доброто разбиране на структурата на атома, основаваща се на модела на Бор. В този прост модел (който оттогава се е изменил много) електроните се движат около атома не по какви да е, а само по "разрешени" орбити. Когато преминат при възбуда на по-високи орбити (например при попадане на електронен лъч върху мишена в рентгенова тръба), по-късно електроните се връщат на по-ниски орбити, излъчвайки придобитата при възбудата енергия под формата на дискретни порции (фотони) електромагнитна енергия. Енергията на фотона е равна на разликата между енергиите на горната и долната орбита. Ако възбудата не е много голяма, преходите стават между външните орбити и излъчените фотони имат сравнително малки енергии. Бащата на квантовата теория Макс Планк доказал, че честотата на излъчване е пропорционална на енергията на фотона. Така че нискоенергетичните фотони представляват нискочестотно (дълговълново) излъчване, или светлина. При по силна възбуда, например в рентгенова тръба, преходи извършват вътрешните електрони. Настъпва по-високо "падане" от възбудена орбита и затова излъчените фотони притежават по-голяма енергия. Голямата енергия съответства на по-високи честоти (по-къси дължини на вълните) и атомът изпуска рентгеново излъчване. Точните знания за дължините на вълните при рентгеновото излъчване позволява да се вникне по-дълбоко в структурата на атома.
През 1992 г. Зигбан става професор по физика в Упсалския университет, където има по-широки възможности за експериментални изследвания. В Упсала той и неговите ученици продължават да изследват рентгеновите лъчи, особено в дълговълновия диапазон. През 1924 г. те успяват да демонстрират пречупването на такова рентгеново излъчване от стъклена призма, или да осъществят експеримент, който не успели да реализират много изследователи преди тях, включително и самият Рентген. Това убедило всички, които все още се съмнявали, че рентгеновото излъчване е наистина електромагнитно излъчване.
За да повишат точността на спектроскопските измервания, Зигбан и неговите колеги разработват устройство за изготвяне на прецизни дифракционни решетки. С помощта на тези решетки те успяват да достигнат рекордни дължини на вълните, които до тях не е изследвал нито един експериментатор. Новите решетки им позволяват да сравнят дължините на вълните на рентгеновото излъчване непосредствено с дължините на вълните на видимата светлина и така да потвърдят по-ранни измервания.
Когато през 1937 г. към Шведската кралска академия на науките е основан Нобеловият институт по физика, Зигбан е назначен за негов директор. Заемайки този пост, той продължава както спектроскопските изследвания, така и работата си по ядрена физика. След година в института е построен първият шведски ускорител. По време на Втората световна война институтът приема много учени-емигранти, които допринасят не малко за осъществяване на теоретическите изследователски програми.
След войната Зигбан разширява тематиката на института и по всякакъв начин подкрепя работата по изследване на структурата на атомното ядро. През 1946 и през 1953 г. той посещава колегите си в Съединените щати, посещавайки научни учреждения като Калифорнийския университет, Масачузетския технологически институт и Чикагския университет. След излизането си в оставка през 1964 г. остава в Нобеловия институт, където продължава изследванията си.
През 1914 г. Зигбан се жени за Карин Ньогбом. Семейството има двама сина. По-малкият, Кай Зигбан, също става известен физик. Зигбан умира на 91 години. Колегите му се изказват за него като за обикновен и сърдечен човек, а неговите новаторски работи, по думите на Герхард Херцберг, "поставят експерименталните основи на атомната теория и ще останат в спомените на поколения физици".
Зигбан е член на Международния комитет за мерки и теглилки (1937 г.), а от 1938 до 1947 г. оглавява Международния съюз за теоретична и приложна физика. Освен с Нобелова награда е удостоен с медала Хюз (1934 г.), медала Ръмфорд (1940 г.) на Лондонското кралско дружество и медала Дадел на Лондонското физическо дружество (1948 г.). Присвоени са му почетни научни степени на много университети, сред които Фрайбургския и Парижкия, член е на Лондонското кралско дружество, Единбургското кралско дружество и Френската академия на науките.
Превод от руски: Павел Б. Николов
