Уильям Лоренс Брэгг. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Уильям Лоренс Брэгг (Bragg)

(31 марта 1890 г. – 1 июля 1971 г)

Нобелевская премия по физике, 1915 г. совместно с У.Г. Брэггом. Уильям Лоренс Брэгг получил премию за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Под его руководством группа ученых проанализировала строение ДНК, глобулярные протеины, в частности, гемоглобин.

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. Брэгг 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 Брэгга, врач по профессии, воспользовался этим аппаратом, чтобы определить характер перелома, что было первым в Австралии зарегистрированным использованием рентгеновских лучей в медицине.

Детство Брэгга 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 Брэгга в университете его отец продолжал изучение радиоактивности и рентгеновских лучей, и они часто вели оживленные дискуссии, касающиеся физических проблем.

Когда отцу Брэгга в 1908 г. предложили пост профессора физики в университете Лидса, вся семья переехала в Англию, прибыв туда в начале следующего года. Брэгг 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, Брэгг пришел к убеждению, что волновая интерпретация Лауэ верна, но что описание деталей дифракции Лауэ неоправданно усложнил. Атомы в кристаллах располагаются в плоскостях, и Брэгг 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 Брэгг воспользовался своим уравнением при анализе различных кристаллов.

Рентгеновский спектрометр, изобретенный его отцом в том же году, оказал Брэгг 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 Брэгг был избран членом ученого совета и лектором Тринити-колледжа.

Работа, проделанная Брэггом 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. Брэгг 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., Брэгг 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». Брэгг 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 Брэгг 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 Брэгг 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 Брэгг оказались весьма ценными для Лайнуса К. Полинга.

Закончив исследование минералов примерно к 1930 г., Брэгг 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 Брэгг способствовал созданию Международного кристаллографического союза и стал его первым президентом в 1949 г.

В конце 30-х гг. Макс Перуц обратил внимание Брэгга на кристаллографический анализ сложных глобулярных протеинов. Вторая мировая война прервала эти исследования, однако после войны они возобновились. Брэгг организовал исследования, нашел финансовую поддержку этому проекту и собрал сильную группу специалистов для решения данной проблемы. К тому времени, когда Брэгг 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 Брэггом этим исследованиям, а также инструменты и методики, разработанные под его руководством, сослужили здесь неоценимую службу.

За время жизни Брэгга 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. Брэгга высоко ценили как выдающегося организатора науки, обладавшего огромной энергией, тактом и кругозором.

С 1954 г. до своей отставки в 1966 г. Брэгг 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. Брэгг продолжал выступать с лекциями и после своей отставки, а также писал на научные темы.

Брэгг женился на Элис Хопкинсон в 1921 г., у них было два сына и две дочери. Брэгг был художником-любителем, а также увлекался литературой и садоводством.

Кроме Нобелевской премии, в число наград Брэгга 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, Брэгг был также членом академий наук Соединенных Штатов, Франции, Швеции, Китая, Нидерландов и Бельгии, а также Французского общества минералогии и кристаллографии.

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.