Нобелевские лауреаты: Уильям Генри Брэгг. Отец рентгеноструктурного анализа

Как можно начать заниматься наукой на пятом десятке, через два года достичь успеха и воспитать самого молодого нобелиата в истории, как ученые доказали, что у поваренной соли нет молекул, читайте в рубрике «Как получить Нобелевку».

Премия по физике 1915 года стала уникальной для всех Нобелевских премий. Во-первых, первый и единственный раз премию получали отец и сын. История знает родственников, которые стали лауреатами, но так, чтобы оба одновременно и за одно и то же… Во-вторых, до второго десятилетия XXI века сын, то есть – Уильям Лоуренс Брегг, был самым молодым лауреатом в истории – всего 25 лет. И только недавнее вручение премии мира 16-летней девушке «перекрыло» этот результат. Тем не менее, среди «естественнонаучных» премий рекорд вряд ли будет побит. Но давайте обо всем по порядку. И начнем с отца.

Уильям Генри Брэгг

Родился 2 июля 1862 года, Уигтон, Великобритания

Умер 12 марта 1942 года, Лондон, Великобритания

Нобелевская премия по физике 1915 года (совместно с сыном, Уильямом Лоренсом Брэггом). Формулировка Нобелевского комитета: «За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (For their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays)».

Будущий нобелевский лауреат родился на ферме. Не в хлеву, как некоторые, а в семье бывшего офицера торгового флота Роберта Джона Брэгга и дочки викария Уэствордского прихода Мэри Брэгг, урожденной Вуд.

Мама умерла, когда Вилли было семь лет, и с тех пор воспитанием и образованием мальчика занимался его дядя, у которого он жил. В 13 лет Уильяма отправили на остров Мэн, где он начал учиться в средней школе. То бишь, в Кинг-Уильям-Колледже. Там Брэгг-младший, который еще не стал Брэггом-старшим, показал удивительные успехи по всем наукам – кроме церковной истории и древнегреческого.

В 1881 году настало время Высшей лиги: Тринити-колледжа в Кембридже, где он стал студентом «Джи-Джи» Томсона, будущего нобелевского лауреата, первооткрывателя электрона, учителя Резерфорда, «научного дедушки» Петра Капицы.

Именно Томсон сыграл важную роль в дальнейшей карьере юного физика: он сообщил, что в университете Аделаиды в Австралии есть хорошая вакансия. Если быть точным, сначала он спросил лучшего студента на своем курсе, некоего Шеппарда, не хочет ли он в Австралию. Отличник, разумеется, отказался, а вот Брэгг – нет. Следующие 22 года наш герой провел среди кенгуру. Именно там, в краю антиподов, он нашел свою любовь — Гвендолайн Тодд, дочь сэра Чарлза Тодда, министра почт Южной Австралии, там родились два их сына, старший из которых станет нобелевским лауреатом вместе с отцом, а младший погибнет в Первую мировую.

В университете Аделаиды Брэгг вел размеренную жизнь преподавателя, уважаемого человека в южноавстралийском высшем свете и до пятого десятка лет не особо стремился к собственным исследованиям.

Поразительный факт, но наукой как наукой Уильям Генри Брэгг начал заниматься в… 42 года! До Австралии докатились первые работы Резерфода и супругов Кюри по радиоактивности. Брэгг в 1904 году отказался от должности президента Австралийская ассоциация развития науки в области астрономии, математики и физики и решил заняться своими исследованиями – и, получив заказанный в Лондоне бромид радия, начал изучать проникающую способность альфа-лучей, сумев выстроить стройную последовательность «задерживающей способности вещества», которая оказалась пропорциональна квадратному корню из атомного веса. При этом в своих экспериментах профессор, никому не известный как ученый, запросто переписывался с такими корифеями, как Резерфорд и Ленард.

Примерно тогда Брэгг, как и лауреат премии 1914 года, Макс фон Лауэ, задумался о природе рентгеновского излучения. И, исходя из собственных экспериментов, был уверен, что рентген – это поток частиц. Впрочем, мысли о корпускулярно-волновой природе рентгеновского излучения его тоже посещали.

Менее, чем через три года после публикации первой научной работы Брэгга, в 1907 году, нашего героя по представлению Резерфорда приняли в члены Лондонского королевского общества. Случай невероятный и неслыханный. Годом позже он получил приглашение стать профессором университета в Великобритании – в Лидсе. На какое-то время научная работа Брэгга снова прервалась – нужно было обустраиваться на новом месте, организовывать учебный процесс, да и сын-физик, которому исполнилось 18, требовал внимания: многие говорили, что он необычайно одарен. В итоге его отправили учиться к Томсону в Кембридж.

Чуть позже исследования возобновились: Брэгг попытался снова проверить свою теорию о корпускулярной природе рентгеновских лучей. И только он вроде как уверился в собственной правоте, как в Nature вышла статья Макса фон Лауэ о дифракции рентгеновских лучей на кристалле. Раз дифракция, значит, природа лучей – волновая.

К крушению своих позиций Брэгг-старший отнесся легко, заявив, что «теории – это не более чем удобные и привычные инструменты». И отправил сына разбираться с работой немца. Тонкому математику, Брэггу-младшему сразу показалось, что фон Лауэ что-то намудрил с описанием дифракции.

Сын предположил, что атомы в кристалле располагаются в плоскостях, и что рентгеновские лучи отражаются от этих плоскостей, образуя дифракционные картины, которые определяются соответствующим расположением атомов. Отсюда с неизбежностью следовал вывод, что дифракционные картины рентгеновских лучей на кристаллах можно использовать для определения атомной структуры кристаллов. В 1913 году Брэгг-младший вывел и опубликовал уравнение, которое сейчас все знают, как закон Брэгга. Эта формула подсказывает угол, под которым нужно направить рентгеновские лучи на кристалл, чтобы определить его структуру по дифракционной картине.

2dsinθ=nλ

Где d — межплоскостное расстояние, θ — угол скольжения (брэгговский угол), n — порядок дифракционного максимума, λ — длина волны.

Пока младший занимался теорией, более «приземленный» Брэгг-старший занялся приборами. Он рассчитал и построил рентгеновский спектрометр, который регистрировал рентгеновские лучи после дифракции и измерял их длину волны.

В 1913-1914 годах они совершенствовали математический аппарат и технику, и в итоге свели процедуру определения структуры кристаллов к стандартной. Так родился рентгеноструктурный анализ. Удивительно – от открытия фон Лауэ до появления стандартного метода прошло всего два года! Фактически работы фон Лауэ и Брэггов дали возможность четырьмя десятилетиями позже сделать одно из самых главных открытий XX века – структуру ДНК.

Одно из важнейших открытий Брэгги сделали, изучая структуру кристаллов поваренной соли. В очередной раз оказалось, что общепринятым представлениям приходится рухнуть под экспериментальными данными. А данные неумолимо и однозначно показывали: кристалл твердой поваренной соли состоит из положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора. Это означало, что, во-первых, некоторые вещества в твердом состоянии существуют в виде ионов, а, во-вторых, ни в твердой, ни в жидкой фазе не существует молекулы поваренной соли. Это оказалось поразительным: вещество есть, а молекулы его не бывает.

В 1915 году Брэгг-отец и Брэгг-сын были удостоены Нобелевской премии. Правда, получали они ее уже в 1919-м, после окончания Первой мировой. Как отметили на церемонии награждения, этой семьей «был открыт совершенно новый мир, который частично был ими исследован с отменной тщательностью».

В первую мировую Уильям Генри Брэгг перевел свою работу на военные рельсы – он работал над методами акустического обнаружения вражеских подводных лодок. А сразу после войны он проявил себя в неожиданно новом качестве: популяризатора науки. В 1919 году он получил работу в Королевском институте, где одной из первых обязанностей его стало проведение и чтение так называемых «Рождественских лекций» (курс лекций о физике для юношества – самый настоящий науч-поп). И Брэгг показал себя с самой лучшей стороны. Уже первый цикл, «Мир звуков», в который вошли шесть лекций: «Что есть звук», «Звук и музыка», «Звуки в городе», «Звуки в стране», «Звуки в море», «Звуки на войне», сделал его знаменитым лектором, а его умение объяснить сложную физику «на пальцах» еще добавило уважения к статусу нобелевского лауреата.

Уильям Генри Брэгг прожил 80 лет и умер на войне, хотя и не принимал участия в боевых действиях. Но именно он был не только национальным героем Англии, но и руководителем всей ее науки, и именно Брэгг занялся переводом всей национальной науки на военные рельсы. При этом он продолжал писать научные работы: свою последнюю статью по рентгеновским лучам Брэг опубликовал в Nature в 1941 году, а 10 марта 1942 года слег от перенапряжения и через два дня скончался.

Одна из биографических статей так подводит итог красивой, длинной и мощной жизни Уильяма Генри Брэгга: «Он начал свою жизнь скромным юношей и закончил ее как личность национального масштаба». Лучше и не скажешь.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.