【物理史中的十二月】1925 年 12 月:西格巴恩(Manne Siegbahn)因 X 射線光譜獲得諾貝爾物理獎

1925 年 12 月:西格巴恩(Manne Siegbahn)因 X 射線光譜獲得諾貝爾物理獎

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2018 年 12 月)

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西格巴恩(Karl Manne Georg Siegbahn)

X 射線光譜在以原子吸收與放射的高能光子為基礎下,包含許多不同的技術,來描述物質的特性。在研究 X 射線的諾貝爾獎得主中,有一位名叫西格巴恩(Karl Manne Georg Siegbahn)的瑞典物理學家,因他對原子的電子結構所做的精確測量而出類拔萃。

故事開始於 1895 年,那年倫琴(Wilhelm Roentgen)做著陰極射線管的實驗,意外發現X射線。1901 年,他因此研究獲得第一屆的諾貝爾物理獎。現在我們已瞭解 X 射線是電磁波譜的一部份,但起先科學家很費力地論證它具有諸如光常見的折射、極化、繞射或干涉等特性。雖然如此,物理學家巴克勒(Charles Barkla)受早期波耳(Niels Bohr)和芮得柏(Rydberg)等科學家有關元素放射譜和它在週期表位置的關連性的研究啟發,成功地使用各種不同「硬度」(穿透度,和波長成反比)的 X 射線來確立化學元素的原子量。

巴克勒的研究建立 X 射線在物質內傳播,以及如何產生所謂次級 X 射線的原理。具體來說,巴克勒在研究整個週期表的過程中,發現 X 射線的穿透力和原子量會一起增加。而當原子量夠高時,他觀察到一種新的、比較軟的輻射會隨著原子量持續增加而依次變更硬。他稱這些輻射為 K 和 L 輻射,而這些輻射就形成區別兩種不同元素的基礎。

莫斯利(Henry Moseley)對元素的 X 射線光譜做了更進一步的研究,導出一簡單的數學法則,說明一個元素的原子數和 X 射線譜的波長有關,這比使用原子量來區別兩種元素更合適。莫斯利在第一次世界大戰中戰死,因此沒資格獲得諾貝爾獎,但是他的研究再度引起巴克勒的注意。巴克勒因他發現多種元素 X 射線的特性而獲得 1917 年諾貝爾物理獎。

最早期將 X 射線波長全譜分離的實驗都是馮‧勞厄(Max von Laue)所做的,他將通過一組做為繞射格柵晶體時的X射線拍攝下來,而這也於 1914 年獲得另一個諾貝爾獎。威廉‧勞倫斯‧布拉格(William Lawrence Bragg)研究出一個比馮‧勞厄更簡單 X 射線繞射的理論,來測定晶體的結構。基於此理論,他父親威廉‧亨利‧布拉格(William Henry Bragg)利用反射取代繞射,建造了一個好用的X射線光譜儀。父子倆於是使用此儀器來測定幾個不同晶體的結構,而於 1915 年同獲諾貝爾獎。

至此,舞台已架設好讓西格巴恩成就他的偉業。西格巴恩出生於 1886 年 12 月 3 日,父親是瑞典斯德哥爾摩西方大約 100 哩的厄勒布魯(Orebro)鎮的火車站長。在服完兵役後,他在隆德大學(University of Lund)獲得博士學位,論文討論磁場的測量,並在那裡任教直到 1923 年。

西格巴恩起先於 1914 年開始這方面的研究時,他使用和莫斯利相同的光譜儀,但之後當他建造他自己的儀器時,即做了重要的改良。他對不同元素所產生的 X 射線波長做了更精確的測量,很快即了解莫斯利所觀察到的波譜線中含有更多的成分。因此,西格巴恩除了有其他的成果外,還可以對電子殼層提供接近完整的描述。西格巴恩和他的學生們接著想出一個儀器,使用一對兩小時的 X 射線曝光,可以分析未知的物質,以判定物質內所含的所有元素。

西格巴恩因「他在 X 射線光譜學領域的研究與發現」,於 1924 年獲得諾貝爾獎,但他在隔年才領到獎。諾貝爾委員會於 1924 年拒絕了原來所有23位的提名,沒有頒發當年的獎項。因此當西格巴恩隔年獲獎時,1924 年的獎項仍空缺著。勞厄是提名他的其中一位同僚,於 1924 年 11 月給委員會的信中強調,西格巴恩在精確測量倫琴光譜波長中扮演著非常重要的角色。

西格巴恩的學術生涯很長且很傑出,於 1923 至 1937 年間任職於瑞典烏普沙拉大學(University of Uppsala),在那裡他證明了 X 射線通過玻璃稜鏡會折射。1937 年,他到斯德哥爾摩大學,也同時擔任剛成立的諾貝爾物理學院的第一任院長。他以前的學生艾德倫(Bengt Edlen)後來回想起他的指導教授說:「西格巴恩和人接觸時沉默寡言,但他說話總是很中肯,所以他安靜的態度並不會被認為是膽怯,相反地,他具有很大的自信,會影響別人跟著他大膽冒險。」

西格巴恩於 1964 年退休,他太太凱倫於 1972 年過世,他自己也在 6 年後往生,享年 91 歲。西格巴恩有兩個小孩,波(Bo Siegbahn)和凱(Kai Siegbahn),(凱也因對 X 射線譜學的貢獻,於 1981 年獲得諾貝爾物理獎。)現在,X 射線波長的標準長度以西格巴恩命名(1 西格巴恩 = 0.000 000 000 000 100 21 =1.0021 × 10-13 公尺),斯德哥爾摩大學設有西格巴恩實驗室,是人們對他重大貢獻兩個永恆的回憶。

 

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