Кай Манне Сигбан (Зигбан)

Биография

Шведский физик Кай Манне Берье Сигбан родился в Лунде и был младшим из двух сыновей Манне Сигбана и Карин (в девичестве Хегбом) Сигбан. После окончания Упсальской гимназии в 1936 г. он поступает в Упсальский университет, где изучает физику, химию и математику, а в 1942 г. получает степень магистра. С 1942 по 1951 г. С. занимает должность ассистента-исследователя в Нобелевском институте физики в Стокгольме, продолжая одновременно работать над диссертацией в Стокгольмском университете, которую защищает в 1944 г., получив докторскую степень. Его диссертация посвящена бета-распаду (испусканию электронов) радиоактивных ядер. В 1951 г. С. назначается профессором физики Королевского технологического института в Стокгольме и остается на этом посту до своего возвращения в 1954 г. в Упсальский университет в качестве профессора физико-математического сектора физического факультета.

Первые работы С. посвящены электронной спектроскопии – определению энергий электронов, испускаемых атомами. Некоторые из этих электронов представляют собой бета-излучение ядер при радиоактивном распаде нескольких типов. Так как энергия электронов связана с разностью энергий между ядерными состояниями до и после распада, точное знание энергий электронов дает ключ к ядерной структуре.

Появление других электронов не связано непосредственно с первичным бета-распадом, а обусловлено явлением, известным под названием внутренней конверсии. Испускание бета-лучей оставляет ядро на возбужденном уровне, с которого оно затем переходит на менее возбужденный уровень; при этом разность энергий между двумя уровнями высвобождается в виде гамма-излучения (электромагнитного излучения, аналогичного свету и рентгеновскому излучению, но отличающегося большей энергией и, следовательно, частотой). Основатель квантовой теории Макс Планк показал, что электромагнитное излучение состоит из дискретных порций энергии (которые Альберт Эйнштейн назвал квантами; ныне их в случае электромагнитной энергии принято называть фотонами) и что частота пропорциональна энергии фотона. Позднее Эйнштейн объяснил детали фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, на которую падает электромагнитное излучение) в терминах поглощения фотонов, энергия которых достаточно велика для преодоления энергии, связывающей электроны с атомом, и, следовательно, способна высвободить электроны. При внутренней конверсии гамма-излучение, испускаемое ядром, не покидает атом, а выбивает электроны, обращающиеся вокруг ядра; выбитые электроны смешиваются с первичным бета-излучением. Чтобы исследовать энергетические уровни ядра, необходимо знать энергии как первичного бета-излучения, так и вторичных фотоэлектронов.

Точному измерению энергий препятствовали ограниченные возможности имевшейся аппаратуры. Существовало два метода измерения энергии. В первом методе использовалось однородное магнитное поле (такое поле создается, например, между плоскими полюсами большого магнита). Движущиеся электроны порождают магнитное поле. Взаимодействие между этим полем и внешним магнитом вынуждает электроны двигаться в плоскостях, параллельных полюсам магнита, по окружностям, диаметры которых зависяг от скорости электронов. Чем быстрее движутся электроны, тем больше диаметр окружностей. Следовательно, такая система позволяет сортировать электроны по энергиям. Второй метод состоит в использовании системы магнитов, образующих фокусирующую магнитную линзу. Первый метод дает хорошее разрешение, но низкую интенсивность. Второй метод позволяет, фокусируя электронный пучок, достигать высоких интенсивностей, но дает слабое разрешение. Вместе со своим сотрудником Нильсом Свартхольмом С., используя грибообразный магнит, разработал способ, позволяющий фокусировать электронный пучок по двум направлениям – в плоскости круговых траекторий и под прямым углом к ней. Этот метод, известный под названием двойной магнитной фокусировки и позволяющий достигать высокой интенсивности в сочетании с существенно более высоким разрешением, вскоре получил широкое распространение.

В начале 50-х гг. С. приходилось подолгу ждать радиоактивных образцов, так как готовили их на циклотроне, работавшем в весьма ненадежном режиме. Размышляя над тем, нельзя ли моделировать радиоактивные излучения каким-то другим, более легко регулируемым способом, он подумал о схеме установки, которая оказалась удобной при исследовании гамма-излучения: источник гамма-излучения был завернут в тонкую свинцовую фольгу, а фотоэлектроны, выбиваемые из свинца гамма-излучением, регистрировались электронным спектрометром. Ему также пришло в голову заменить источник гамма-излучения рентгеновской трубкой и извлекать фотоэлектроны из обычных материалов, чтобы получить больше информации об энергиях, связывающих электроны с атомами. Эта информация была нужна С. для проводимого им исследования по ядерной физике, чтобы установить соответствие между измерениями энергий электронов, рождающихся при внутренней конверсии гамма-излучения, и ядерными переходами, порождаемыми гамма-излучением. Знакомясь (по научной литературе) с тем, что было сделано в этой области до него, С. понял, что мог бы внести существенный вклад в атомную физику, используя свои приборы высокого разрешения и свой опыт применения электронной спектроскопии.

Применение электронной спектроскопии в атомной физике наталкивается на большие трудности. Энергии электронов гораздо меньше, чем энергии бета-лучей, и энергетические спектры электронов, выбитых фотонами, не позволяют просто и четко определить энергетические уровни электронов или энергии связей, которые описывают атомную структуру. Например, Эйнштейн показал, что энергия поглощенного фотона равна энергии связи испущенного электрона только при условии, если этот электрон имеет нулевую скорость. В общем случае энергия фотона равна сумме энергии, необходимой для разрыва связи, и кинетической энергии, которой обладает электрон, покидая атом. Поскольку испускаемые электроны движутся со скоростями, образующими сплошной спектр, спектры имеют вид непрерывных кривых, а не серии линий.

Было известно, что атомные электроны группируются в оболочки С. знал, что энергия связи может быть легко вычислена, как он сформулировал, с помощью «измерения высокоэнергетической части размазанного электронного облака для различных распределений электронов», связанных с оболочками. Однако разрешение электронной спектроскопии для атомной физики должно было бы быть в 10...100 раз выше, чем в случае радиоактивности.

К середине 50-х гг. С. и его сотрудникам удалось получить четкие спектральные линии. В 1957 г., преодолев ряд других трудностей, после многократных проверок оборудования С. и двум его сотрудникам удалось получить первый фотоэлектронный спектр с необычайно четкими линиями и ожидаемыми интенсивностями. Среди других открытий они впервые обнаружили химические сдвиги – слабые изменения энергий связи, обусловленные соединением атомов в молекулы, когда их внешние электроны различным образом смешиваются. Химический сдвиг раскрывает детали химической связи, в том числе ионной (когда электрически нейтральные атомы приобретают или отдают электроны).

Предложенная С. и его сотрудниками форма анализа с необычайно высоким разрешением, известная под названием электронной спектроскопии химического анализа (ЭСХА), быстро стала постоянным лабораторным методом. В частности, ЭСХА оказалась особенно полезной для исследования поверхностей и нашла применение при изучении таких поверхностных явлений, как катализ на платине при очистке нефти или коррозия металла ЭСХА применяется и для анализа частиц в загрязненном воздухе.

В 1981 г. С. был удостоен (половины) Нобелевской премии по физике «за вклад в развитие электронной спектроскопии высокого разрешения». (Его отец. Манне Сигбан, был лауреатом Нобелевской премии за 1924 г. за вклад в разработку рентгеновской спектроскопии). Другая половина премии была присуждена Николасу Бломбергену и Артуру Л. Шавлову за спектроскопические исследования с помощью лазеров. «С появлением электронной спектроскопии стало возможно определять энергию связей атомных электронов с точностью, намного превосходящей все прежние возможности, заявил при презентации лауреата Ингвар Линдгрен, член Шведской королевской академии наук – это имело огромное значение для проверки атомных моделей и схем вычислений».

После получения Нобелевской премии С. продолжал исследования в области ядерной физики в Упсале. Он был президентом Международного союза теоретической и прикладной физики и членом Международного комитета мер и весов.

В 1944 г. С. вступил в брак с Анной Бритой Редин. У супругов трое сыновей, двое из которых пошли по стопам отца и деда и стали физиками.

С. удостоен премии Сикстена Хеймана Гетеборгского университета (1971) и медали Чарлза Фредерика Чендлера Колумбийского университета (1976). Он член Шведской академии наук. Шведской академии инженерных наук. Королевской академии наук и искусств Упсалы, Норвежской королевской академии наук, Норвежского общества наук и изящной словесности, почетный член Американской академии наук и искусств. Он имеет почетные ученые степени университетов Дарема, Базеля и Льежа, а также многих научных обществ.