НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1981 г. / ФИЗИКА / КАЙ СИГБАН

Кай Сигбан (Kai Siegbahn)

20 април 1918 г. – 20 юли 2007 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Николас Блумберген и Артър Ленард Шолоу)

(За принос в развитието на електронната спектроскопия с висока разделителна способност.)

Шведският физик Кай Сигбан е роден в Лунд и е по-малкият от двамата синове на Мане Сигбан (лауреат на Нобелова награда през 1924 година за разработване на рентгеновата спектроскопия – бел. П. Н.) и Карин (Хьогбом) Сигбан. След като завършва Упсалската гимназия през 1936 г. Кай Сигбан постъпва в Упсалския университет, където учи физика, химия и математика, а през 1942 г. получава степента магистър. От 1942 до 1951 г. заема длъжността асистент-изследовател в Нобеловия институт по физика в Стокхолм, продължавайки едновременно да работи над дисертация в Стокхолмския университет, която защитава през 1944 г., след което получава докторска степен. Дисертацията му е посветена на бета-разпадането (излъчването на електрони) при радиоактивните ядра. През 1951 г. Сигбан е назначен за професор по физика в Кралския технологичен институт в Стокхолм и остава на този пост до връщането си през 1954 г. в Упсалския университет като професор във физико-математическия сектор на факултета по физика.

Първите изследвания на Сигбан са посветени на електронната спектроскопия – определяне на енергията на електроните, излъчвани от атомите. Някои от тези електрони са бета-излъчване на ядрата при радиоактивното разпадане. Тъй като енергията на електроните е свързана с разликите в енергиите между ядрените състояния преди и след разпада, точното знание за енергията на електроните дава ключ за ядрената структура.

Появата на други електрони не е свързана непосредствено с първичния бета-разпад, а е обусловена от явление, известно като вътрешна конверсия. Изпускането на бета-лъчи оставя ядрото на възбудено равнище, от което то след това преминава на по-малко възбудено равнище; при това разликата на енергиите между двете равнища се освобождава във вид на гама-излъчване (електромагнитно излъчване, аналогично на светлинното и рентгеновото излъчване, но отличаващо се с по-голяма енергия и, следователно, с по-голяма честота). Основателят на квантовата теория Макс Планк доказва, че електромагнитното излъчване се състои от дискретни порции енергия (които Алберт Айнщайн нарича кванти; днес се наричат фотони) и че честотата е пропорционална на енергията на фотона. По-късно Айнщайн обяснява детайлите на фотоелектричния ефект (изпускане на електрони от повърхността на метал, върху която пада електромагнитно излъчване) по отношение на поглъщането на фотони, чиято енергия е достатъчно голяма за преодоляване на енергията, свързваща електрона с атома и следователно е способна да освободи електрони. При вътрешната конверсия гама-излъчването, изпускано от ядрото, не напуска атома, а избива електрони, кръжащи около ядрото; избитите електрони се смесват с първичното бета-излъчване. За де се изследват енергетичните равнища на ядрата, трябва да се знае енергията както на първичното бета-излъчване, така и на вторичните фотоелектрони.

Точното измерване на енергия се спъва от възможностите на наличната апаратура. Съществуват два метода за измерване на енергията. При първия метод се използва еднородно магнитно поле (подобно поле се създава например между плоските полюси на голям магнит). Движещите се електрони създават магнитно поле. Взаимодействието между това поле и външния магнит принуждава електроните да се движат в плоскости, паралелни на полюсите на магнита, по окръжности, чиито диаметри зависят от скоростта на електроните. Колкото по-бързо се движат електроните, толкова по-големи са диаметрите на окръжностите. Следователно подобна система позволява да се сортират електроните по енергии. Вторият метод се състои в използването на система от магнити, образуващи фокусирана магнитна леща. Първият метод дава добра разрешителна способност, но ниска интензивност. Вторият метод позволява, фокусирайки електронния сноп, да се достигне висока интензивност, но дава слаба разрешителна способност. Сигбан, заедно с Нилсон Свартхолм, свой сътрудник, като използва гъбообразен магнит, разработва начин, позволяващ да се фокусира електронния сноп в две направления – в плоскостта на кръговите траектории и под прав ъгъл към нея. Този метод, известен като двойна магнитна фокусировка и позволяващ да се достига висока интензивност в съчетание със съществено по-висока разрешителна способност, скоро получава широко разпространение.

В началото на 50-те години Сигбан трябва да чака дълго радиоактивните образци, тъй като се изготвят в циклотрон, работещ с доста ненадежден режим. Размишлявайки над това дали не може да се моделира радиоактивно излъчване по друг, по-регулируем начин, той измисля схема на установка, която се оказва удобна при изследване на гама-излъчването: източникът на гама-излъчване е завит с тънко оловно фолио, а фотоелектроните, които гама-излъчването избива от оловото, се регистрират с електронен спектрометър. На учения също така му хрумва да замени източника на гама-излъчване с рентгенова тръба и да извлича фотоелектрони от обикновени материали, за да получи по-голяма информация за енергиите, свързващи електроните с атомите. Тази информация е необходима на Сигбан за изследванията му по ядрена физика, за да се установи съответствието между измерванията на енергията на електроните, появяващи се при вътрешната конверсия на гама-излъчването, и ядрените преходи, пораждани от гама-излъчването. Запознавайки се (от научната литература) с това, което е направено в тази област преди него, Сигбан разбира, че може да внесе значителен принос в атомната физика, използвайки своите прибори с висока разрешителна способност и своя опит за прилагане на електронната спектроскопия.

Използването на електронната спектроскопия в атомната физика се сблъсква с големи трудности. Енергиите на електроните са много по-малки от енергиите на бета-лъчите и енергетичните спектри на електроните, избити от фотоните, не позволяват просто и ясно да се определят енергетичните равнища на електроните или енергията на връзките, които описват атомната структура. Айнщайн доказва например, че енергията на погълнатия фотон е равна на енергията на връзката на излъчения електрон само при условие, че електронът има нулева скорост. Общо взето енергията на фотона е равна на сумата от енергията, необходима за разкъсване на връзката, и кинетичната енергия, която притежава електронът, напускайки атома. Тъй като излъчваните електрони се движат със скорости, образуващи непрекъснат спектър, спектрите имат вид на непрекъснати криви, а не на серии от линии.

Известно е, че атомните електрони се групират в обвивки. Сигбан знае, че енергията на връзката може да бъде изчислена лесно, както той формулира, с помощта на „измерване на високоенергетична част на размития електронен облак за различни разпределения на електроните“, свързани с обвивките. Но разрешителната способност на електронната спектроскопия за атомната физика трябва да бъде 10-100 пъти по-голяма отколкото в случая с радиоактивността.

Към средата на 50-те години Сигбан и неговите сътрудници успяват да получат ясни спектрални линии. През 1957 г., като преодолява редица други трудности, след многократни проверки на оборудването, Сигбан и двама негови сътрудници успяват да получат първия фотоелектронен спектър с необикновено ясни линии и очаквани интензивности. Те откриват също химичните измествания – слаби промени в енергията на връзката, обусловени от съединяването на атомите в молекули, когато техните външни електрони се смесват по различен начин. Химичното изместване разкрива детайли на химичната връзка, включително и йонната (когато електрически неутрални атоми приемат или отдават електрони).

Предложената от Сигбан и неговите сътрудници форма на анализ с необикновено висока разрешителна способност, известна като електронна спектроскопия на химичния анализ (ЕСХА), става бързо постоянен лабораторен метод. По-специално ЕСХА се оказва особено полезна за изследване на повърхности и намира приложение при проучване на повърхностни явления като катализирането на платината при рафинирането на нефта или като корозията на металите. ЕСХА се използва и за анализиране на частиците в замърсения въздух.

След получаването на нобеловата награда Сигбан продължава изследванията си по ядрена физика в Упсала. Той е президент на Международния съюз по теоретична и приложна физика и член на Международния комитет за мерки и теглилки.

През 1944 г. Сигбан се жени за Анна Брита Редин. Семейството има трима синове, двама от които тръгват по стъпките на баща си и дядо си и стават физици.

Сигбан е удостоен с наградата Сикстен Хайман на Гьотеборгския университет (1971 г.) и с медала Чарлз Фредерик Чандлър на Колумбийския университет (1976 г.). Член е на Шведската академия на науките, на Шведската академия на инженерните науки, но Кралската академия на науките и изкуствата в Упсала, на Норвежката кралска академия на науките и на Норвежкото дружество на науките и изящната словесност; почетен член е на Американската академия на науките и изкуствата. Има почетни научни степени от университетите в Дърам, Базел и Лиеж, а също така от много научни дружества.

Превод от руски: Павел Б. Николов