БРЭГГ (физики, отец и сын)

БРЭГГ (физики, отец и сын)
\БРЭГГ (Bragg), английские физики, основоположники рентгеноструктурного анализа, отец и сын. Первыми (1913) расшифровали атомные структуры ряда кристаллов с помощью дифракции рентгеновских лучей. Нобелевская премия (1915). 1) Уильям Генри (1862-1942), член (1906) и президент (1935-40) Лондонского королевского общества. 2) Уильям Лоренс (1890-1971), директор Кавендишской лаборатории (1938-53) и Королевского института в Кембридже (1954-60). Установил т. н. условие Брэгга - Вульфа. * * * БРЭГГ (Bragg) Уильям Генри (2 июля 1862 г. – 12 марта 1942 г.). Нобелевская премия по физике, 1915 г. совместно с У. Л. Брэггом Английский физик Уильям Генри Брэгг родился на ферме вблизи Уигтона, Камберленд, в семье Роберта Джона Брэгга, бывшего офицера торгового флота, и Мэри (Вуд) Брэгг, дочери викария Уэствордского прихода. Мать Б. умерла, когда ему было 7 лет, и с тех пор он жил у своего дяди, который заботился о его образовании. Когда мальчику исполнилось 13 лет, отец послал его в Кинг-Уильям-колледж, среднюю школу на острове Мэн, где мальчик прекрасно занимался по всем предметам, за исключением церковной истории и греческого языка. В 1881 г. Б. поступил в Тринити-колледж в Кембридже, где он стал блестящим студентом-математиком. На последнем курсе он слушал лекции по физике Дж. Дж. Томсона, который и сообщил Б. о вакансии в Аделаидском университете в Австралии. Б. подал заявление и был назначен на должность профессора математики и физики, которую занимал в течение 18 лет. Поскольку его подготовка в области физики уступала его познаниям в математике, большую часть долгого морского путешествия он провел, изучая учебники по физике, которые взял с собой. Б. прибыл в Аделаиду в 1885 г. Здесь он занялся педагогической деятельностью, участвовал в общественной жизни университета, работал в Австралийской ассоциации содействия развитию науки. Почти 20 лет он не пытался проводить какие-либо самостоятельные исследования. В 1889 г. он женился на Гвендолин Тодд, дочери сэра Чарлза Тодда, министра почт Южной Австралии. У них было два сына, младший из которых погиб в первую мировую войну, и дочь. За эти годы Б. занял видное положение в южноавстралийском обществе, но опубликовал всего лишь несколько небольших статей. В 1904 г., когда Б. было 42 года, его глубоко заинтересовали результаты последних исследований в области радиоактивности, включая работы Эрнеста Резерфорда и Марии и Пьера Кюри. Он провел свое первое самостоятельное исследование, дабы пролить свет на феномен радиоактивности. Следующие три года Б. изучал проникающую способность альфа-частиц (ядер атома гелия), которые испускаются атомами радиоактивных веществ при распаде, то есть когда их ядра распадаются на ядра других элементов. Он обнаружил, что альфа-частицы, испускаемые данным радиоактивным веществом, можно разбить на хорошо различимые группы, так что все частицы из одной группы проходят одинаковое расстояние до того, как будут поглощены расположенным на их пути веществом. Открытие этих групп, которое оказалось весьма неожиданным, показало, что альфа-частицы испускаются только с определенными начальными скоростями. Отсюда вытекало, что распад родительского радиоактивного ядра проходит поэтапно, причем каждое промежуточное дочернее ядро испускает альфа-частицу с отличной от других начальной скоростью. Следовательно, пройденное альфа-частицей расстояние можно было использовать для определения типа ядра, испускающего эту частицу. Это открытие вместе с экспериментальным исследованием других радиоактивных излучений принесло Б. международную известность. В 1908 г. Б. получил должность профессора физики в университете Лидса и в начале следующего года вместе с семьей возвратился в Англию. В течение нескольких следующих лет Б. проводил интенсивные исследования свойств рентгеновских и гамма-лучей, считая, что они больше похожи на поток частиц, чем на волны. В этот период он вел бурные дебаты с Чарлзом Г. Баркла о природе рентгеновских лучей. Однако в 1912 г. Макс фон Лауэ обнаружил дифракцию (отклонение) рентгеновских лучей на кристаллах, причем возникавшая интерференционная картина напоминала аналогичную картину для света. Поскольку подобные картины могли быть порождены только волнами, Б. перестал защищать корпускулярную теорию, сказав, что "теории – это не более чем удобные и привычные инструменты". Проблема, заявил он, "не в том, чтобы выбрать между двумя теориями рентгеновских лучей, а в том, чтобы построить теорию, которая совместила бы сильные стороны обеих точек зрения". Квантовая теория, создававшаяся в первой четверти XX в. трудами Макса Планка, Альберта Эйнштейна и Нильса Бора, подвела к выводу, что электромагнитное излучение (и свет, и рентгеновские лучи) обладает свойствами как волн, так и частиц. Старший сын Б., У. Л. Брэгг, который по возвращении семьи в Англию поступил в Кембридж для изучения физики, начал в 1912 г. исследования под руководством Дж. Дж. Томсона. Обсудив проблему дифракции рентгеновских лучей со своим отцом, У. Л. Брэгг пришел к убеждению, что волновая картина этих лучей, описанная Лауэ, верна, однако он чувствовал, что в своих объяснениях Лауэ излишне усложнил детали дифракции. У. Л. Брэгг выдвинул предположение, что атомы кристалла располагаются в плоскостях и что рентгеновские лучи отражаются от этих плоскостей, образуя дифракционные картины, которые определяются специфическим расположением атомов. Из этой теории следовало, что дифракционные картины рентгеновских лучей можно использовать для определения атомной структуры кристаллов. В 1913 г. У. Л. Брэгг опубликовал формулу, ныне носящую название закона Брэгга и указывающую угол, под которым нужно направить рентгеновские лучи на кристалл, чтобы определить его структуру по дифракционной картине. Пока его сын работал над теоретическими аспектами дифракции рентгеновских лучей, Б. изобрел инструмент, названный рентгеновским спектрометром и предназначенный для регистрации и измерения длины волн дифрагированных рентгеновских лучей. Работая вместе, Брэгги использовали рентгеновский спектрометр для определения структуры различных кристаллов, и к 1914 г. они свели анализ простых кристаллов к стандартной процедуре. Проводя дифракционные исследования кристаллов хлористого натрия (поваренной соли), Брэгги обнаружили, что это вещество состоит не из молекул, а из расположенных определенным образом ионов натрия и ионов хлора (ион – это заряженный атом). Ранее предполагалось, что все соединения имеют молекулярную природу, что, например, поваренная соль образована отдельными молекулами, состоящими из атомов натрия и атомов хлора. Открытие Брэггов, что некоторые соединения носят ионный характер и не существует, например, такого объекта, как молекула хлористого натрия, имело фундаментальное значение для химиков. Голландский химик Петер Дебай использовал эти результаты в своих основополагающих исследованиях поведения ионов в растворах. Изобретение Б. рентгеновского спектрометра и его работа вместе с сыном по исследованию кристаллов легли в основу современной науки – рентгеновской кристаллографии. Рентгеновская дифракционная техника используется специалистами по материалам, минералогами, керамистами и биологами. Она помогла решить ряд проблем, начиная с диагностики внутренних напряжений в металлических деталях машин и кончая определением строения биологических молекул, таких, как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Хотя современные рентгеновские спектрометры в высокой степени автоматизированы, принципиальная схема и методы анализа остаются теми же самыми, которые были разработаны Брэггами. В 1915 г. Брэгги были награждены Нобелевской премией по физике "за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей". За год до этого разразилась первая мировая война, и церемония награждения была отменена. Г. Д. Гранквист из Шведской королевской академии наук в своем эссе, написанном в 1919 г., так охарактеризовал работу Брэггов. Благодаря их методам, указал он, "был открыт совершенно новый мир, который частично был ими исследован с отменной тщательностью". Б. не читал Нобелевской лекции. В том же году, когда он получил Нобелевскую премию, Б. стал профессором физики Университетского колледжа в Лондоне. Первая мировая война затормозила его исследования по строению кристаллов, во время войны Б. возглавлял группу ученых, занимавшихся вопросами морской акустики и подводных акустических датчиков. После войны он собрал большую исследовательскую группу, которая занялась рентгеновским анализом органических кристаллов, что привело к возникновению еще одной современной науки – молекулярной биологии. Сам Б. преуспел в определении структуры нафталина и его производных, тогда как другие члены группы исследовали различные классы органических соединений и провели теоретический анализ дифракции рентгеновских лучей на сложных кристаллах. В 1923 г. Б. стал директором Королевского института в Лондоне, и его группа продолжила там исследование органических кристаллов. Блестящий оратор, Б. получал много приглашений из разных концов Англии прочитать лекции как для студентов, так и для своих коллег по профессии. Во время второй мировой войны Б. активно работал в нескольких правительственных научно-консультационных комитетах, так что времени для научных исследований оставалось немного. Тем не менее он сохранил живой интерес к работе Королевского института и продолжал писать статьи о новых достижениях в рентгеновской кристаллографии почти до самой своей смерти, которая наступила в Лондоне 12 марта 1942 г. Известный своим дружелюбием, щедростью и простотой, Б. преклонялся перед традициями и мастерством. Будучи глубоко религиозным человеком, он интересовался взаимоотношениями между наукой и религией и написал об этом книгу. Его самой большой привязанностью была его семья, и смерть жены в 1929 г. была для него страшным ударом. Б. был заядлым игроком в гольф и талантливым художником-любителем, а кроме того, играл на флейте. Кроме Нобелевской премии, Б. получил много наград, в том числе медаль Румфорда (1916 г.) и медаль Копли (1930 г.) Королевского общества. Он получил дворянское звание в 1920 г. и орден "За заслуги" в 1931 г. Президент Королевского общества с 1935 по 1940 г., Б. был также членом ведущих научных академий других стран. У него было 16 почетных докторских степеней британских и иностранных университетов. * * * БРЭГГ (Bragg) Уильям Лоренс (31 марта 1890 г. – 1 июля 1971 г.). Нобелевская премия по физике, 1915 г. совместно с У. Г. Брэггом Английский физик Уильям Лоренс Брэгг родился в Аделаиде (Австралия), в семье У. Г. Брэгга, в то время профессора математики и физики Аделаидского университета, и Гвендолин (Тодд) Брэгг, дочери сэра Чарлза Тодда, министра почт Южной Австралии. Б. впервые познакомился с рентгеновскими лучами пяти лет от роду, всего через несколько недель после их открытия Вильгельмом Рентгеном. Изучая эти лучи, старший Брэгг построил примитивный рентгеновский аппарат, и как раз в это время мальчик сломал руку. Дядя юного Б., врач по профессии, воспользовался этим аппаратом, чтобы определить характер перелома, что было первым в Австралии зарегистрированным использованием рентгеновских лучей в медицине. Детство Б. прошло в Аделаиде, кроме года, проведенного с родителями во Франции и Англии. Он учился в колледже св. Петра (средняя школа в Аделаиде) и в 1905 г. поступил в Аделаидский университет, который закончил три года спустя с отличием по математике. Во время обучения Б. в университете его отец продолжал изучение радиоактивности и рентгеновских лучей, и они часто вели оживленные дискуссии, касающиеся физических проблем. Когда отцу Б: в 1908 г. предложили пост профессора физики в университете Лидса, вся семья переехала в Англию. прибыв туда в начале следующего года. Б. изучал физику в Тринити-колледже в Кембридже ив 1912 г. с отличием сдал экзамены по естественным наукам. Затем он начал исследовательскую работу под руководством Дж. Дж. Томсона в Кембридже и одновременно вместе со своим отцом изучал рентгеновские дифракционные картины, полученные ранее в этом же году Максом фон Лауэ. В начале своей работы Брэгг-старший поддерживал идею, что рентгеновские лучи представляют собой потоки частиц, но на него произвело впечатление открытие Лауэ, обнаружившего, что рентгеновские лучи дифрагируют (отклоняются) на кристаллах, в результате чего возникают интерференционные картины, аналогичные тем, которые дает свет. Такие картины могли давать только волны. Обсудив дифракцию рентгеновских лучей со своим отцом, Б. пришел к убеждению, что волновая интерпретация Лауэ верна, но что описание деталей дифракции Лауэ неоправданно усложнил. Атомы в кристаллах располагаются в плоскостях, и Б. предположил, что дифракционная картина конкретного вида вызывается специальным расположением атомов в конкретной разновидности кристаллов. Если это так, то рентгеновскую дифракцию можно было использовать для определения структуры кристаллов. В 1913 г. он опубликовал уравнение, позже названное законом Брэгга, описывающее углы, под которыми следует направить пучок рентгеновских лучей, чтобы определить строение кристалла по дифракционной картине рентгеновских лучей, отраженных от кристаллических плоскостей. Затем Б. воспользовался своим уравнением при анализе различных кристаллов. Рентгеновский спектрометр, изобретенный его отцом в том же году, оказал Б. неоценимую помощь, поскольку высокая чувствительность прибора позволяла анализировать кристаллы более сложные, чем те, которые поддавались анализу известными ранее методами. Первым веществом, которое Брэгги исследовали с помощью рентгеновской дифракции, был хлористый натрий, или, проще говоря, поваренная соль. К 1913 г. атомная теория вещества уже прочно утвердилась, и было принято считать, что химические соединения образованы молекулами, состоящими из атомов различных элементов. Например, считалось, что хлористый натрий состоит из молекул, каждая из которых содержит атом натрия и атом хлора. Исследования Брэггов показали, что кристаллы хлористого натрия состоят не из молекул, а из определенным образом расположенных ионов натрия и ионов хлора (ион – заряженный атом). В кристалле нет молекул хлористого натрия. Тем самым было установлено различие между молекулярными соединениями (кристаллы которых состоят из молекул) и ионными соединениями (кристаллы которых состоят из определенным образом расположенных ионов), что имело огромное значение и позволило ученым гораздо глубже понять поведение растворов. Работая совместно, Брэгги свели к 1914 г. рентгеновский анализ простых материалов к стандартной процедуре. В этом же году Б. был избран членом ученого совета и лектором Тринити-колледжа. Работа, проделанная Б. и его отцом в 1912...1914 гг., заложила основы современной рентгеновской кристаллографии. Анализ рентгеновских дифракционных картин служит мощным инструментом для минералогов, металлургов, керамистов и других исследователей, имеющих дело с атомной структурой материалов. Этот метод позволил также ученым определить строение очень сложных молекул, что вызвало к жизни целую область молекулярной биологии. В 1915 г. Б. вместе со своим отцом был награжден Нобелевской премией "за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей". Поскольку шла первая мировая война и мир оказался расколотым, церемония награждения была отменена. В эссе, написанном в 1919 г., Г. Д. Гранквист из Шведской королевской академии наук указывал, что благодаря работе Брэггов удалось не только дать математическое описание дифракции рентгеновских лучей, но и "подступиться к проблеме структуры кристаллов" экспериментально. "Благодаря методам, разработанным Брэггами, – продолжал Гранквист, – был открыт совершенно новый мир, который частично был ими исследован с отменной тщательностью". В своей Нобелевской лекции, прочитанной в Стокгольме в 1922 г., Б. подвел итог работе, за которую он был награжден премией. Он закончил лекцию рассуждением, что "существует приложение рентгеновского анализа более глубокое", чем определение строения кристаллов, а именно "исследование строения самого атома". Б. сказал: "Поскольку длина волны рентгеновских лучей меньше "атомного диаметра", если воспользоваться этим несколько неясным термином, и поскольку дифракция этих лучей происходит в основном на электронах атома, у нас могла бы возникнуть возможность получить некоторое представление о распределении этих электронов таким же образом, как мы делаем выводы о группировке атомов". Во время первой мировой войны Б. служил техническим советником по звуковой пристрелке (определение расположения войск противника по звуку артиллерийского огня), дойдя по служебной лестнице до звания майора. После войны он вернулся на должность лектора в Тринити-колледж. В 1919 г. он сменил Эрнеста Резерфорда на посту профессора физики Манчестерского университета. Там Б. вернулся к своим исследованиям структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Многие годы он посвятил изучению сложных структур, возникающих в силикатном семействе минералов, и этой работой совершил подлинный переворот в минералогии, поставив ее на крепкую научную основу. Впоследствии результаты исследований Б. оказались весьма ценными для Лайнуса К. Полинга. Закончив исследование минералов примерно к 1930 г., Б. занялся изучением металлов и металлических сплавов в качестве руководителя и практического участника работ. В 1937 г. он стал директором Национальной физической лаборатории, а в следующем году занял одновременно должность профессора физики в Кембридже – пост, который он сохранял до 1953 г. В конце второй мировой войны Б. способствовал созданию Международного кристаллографического союза и стал его первым президентом в 1949 г. В конце 30-х гг. Макс Перуц обратил внимание Б. на кристаллографический анализ сложных глобулярных протеинов. Вторая мировая война прервала эти исследования, однако после войны они возобновились. Б. организовал исследования, нашел финансовую поддержку этому проекту и собрал сильную группу специалистов для решения данной проблемы. К тому времени, когда Б. оставил Кембридж, его группа значительно продвинулась вперед в своих исследованиях. За два года Перуц и Джон К. Кендрю добились успехов в анализе глобулярных протеинов, в частности гемоглобина. В то же время Фрэнсис Крик, Джеймс Д. Уотсон и Морис Уилкинс проанализировали строение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Поддержка, оказанная Б. этим исследованиям, а также инструменты и методики, разработанные под его руководством, сослужили здесь неоценимую службу. За время жизни Б. физика изменилась настолько, что, за исключением ранней работы, за которую он получил Нобелевскую премию, все его исследования, в сущности, оказались в стороне от магистральных направлений физики. Не меньше, чем своей работой в области экспериментальной физики, он известен тем вкладом, который он внес в химию, минералогию, металлургию и молекулярную биологию. Хотя велик его личный вклад в науку, достаточно значителен и результат работы тех групп, которые он организовал и возглавлял. Б. высоко ценили как выдающегося организатора науки, обладавшего огромной энергией, тактом и кругозором. С 1954 г. до своей отставки в 1966 г. Б. был директором Королевского института в Лондоне (пост, который ранее занимал его отец). Все это время он много занимался вопросами научного образования и часто обращался к непрофессиональной аудитории, особенно к школьникам, рассказывая, каким захватывающим и прекрасным может быть поиск истины. Популярный и талантливый оратор, он был приглашен прочесть цикл лекций по телевидению. Б. продолжал выступать с лекциями и после своей отставки, а также писал на научные темы. Б. женился на Элис Хопкинсон в 1921 г., у них было два сына и две дочери. Б. был художником-любителем, а также увлекался литературой и садоводством. Кроме Нобелевской премии, в число наград Б. входят медаль Реблинга Американского минералогического общества (1948 г.), а также медаль Хьюгса (1931 г.). Королевская медаль (1946 г.) и медаль Копли (1966 г.) Королевского общества. Он получил дворянство в 1941 г. Член Королевского общества, Б. был также членом академий наук Соединенных Штатов, Франции, Швеции, Китая, Нидерландов и Бельгии, а также Французского общества минералогии и кристаллографии.