射线研究再接力父子相继新高峰——“诺贝尔物理学奖史”系列之二十四

作者：魏德勇来源：蝌蚪五线谱发布时间：2022-09-23

一门三代研究物理，两代获得诺贝尔奖，真可谓物理学史上的佳话。

“子承父业”的传统广泛存在于各个行业，物理学界也不例外。然而，能把物理研究做到极致，并获得诺贝尔奖的科学家并不多：从1901 年到现在，215位获诺贝尔物理学奖者中只有4对父子。

其中有对父子与X射线结下不解之缘，不但理论上比前人有所突破，技术发明方面也颇为创新，演绎了诺贝尔物理学奖史上的一段佳话。他们的故事，要从100余年前的那个夏天谈起。

西格班父子在工作中图源：nobelprize

精测射线奠根基

1915年盛夏，瑞典隆德大学物理学讲师卡尔·曼内·乔奇·西格巴恩作了一个慎重的决定，即向校方申请创建X射线光谱学实验室。从事X射线研究一年多来，他深知实验对物理测量的重要性，没有先进的实验室，要研究这种肉眼看不见的高能量射线几乎无从谈起。

作为隆德大学的优秀毕业生，西格巴恩学生时代即专注于物理测量的学习和研究，后因研究磁场测量的论文而获博士学位并留校任教。欧洲的教授、学者们纷纷投身研究诞生不久的X射线。西格巴恩加入其中，并向当时学界研究的终极目标，即证明“X射线是一种波长短的电磁辐射”迈进。

西格巴恩仔细研究X射线的发现史，发现这个目标很难实现。自1895年物理学家伦琴发现X射线后，欧洲科学家们都试着用它来探索自然。劳厄用晶体中的原子证明X射线是电磁波，从而推动X射线晶体学的诞生。布拉格父子俩根据X射线的波动性证明物质中的粒子有着不同的排列，同时获得1915年度诺贝尔物理学奖。巴克拉从元素原子发射的光谱中发现K系和L系两组细谱线，分别为2条和4条。青年科学家莫塞莱通过光谱实验证实了巴克拉的推断，可惜他不幸在欧洲战场中牺牲，实验不得不终止。

在这样的背景下，西格巴恩决定创建光谱学实验室，以精确测量X射线的光谱。实验室建成后，他从两方面展开研究工作：理论方面，认真研究劳厄、布拉格父子、巴克拉等科学家提出的观点，理论上推测X射线的大致波长；实验方面，制作新的X射线管、分光镜等，用实验数据来验证X射线的波长。

日复一日，年复一年，西格巴恩测量着X射线的波长，从不懈怠。他先后测量并分析了92种元素的原子辐射波系统。1917年，他用新研发的X射线管，先是测量并验证了巴克拉和莫塞莱研究多年的K系和L系谱线，后发现了具有24条细线的M系谱线和28条细线的N谱线。

西格巴恩不但发明了光谱谱线的命名符号（沿用至今），还根据各元素的光谱谱线整理出相关规律，从而有力支撑了玻尔关于电子排列的理论，让当时和后世的科学家得知原子的电子轨道间有精细结构，为量子理论建设了实验基础。

1923年，西格巴恩公开出版《伦琴射线谱学》（德文版）一书。书中不但系统介绍了X射线光谱测量的理论，还通过理论和实验证明了“X射线是波长很短的电磁辐射”的科学论断。书中所介绍的X射线谱仪测量精度非常高，影响科学界30多年。

西格巴恩因研发X射线的高精度测量技术而获得1924年度诺贝尔物理学奖。那时他的儿子凯·西格巴恩才6岁。此后，西格巴恩一边养育儿子，一边继续研究X射线。耳濡目染，凯·西格巴恩从小就对X射线很感兴趣，中学时物理成绩在全校名列前茅。

1937年，他的研究方向从X射线转向核物理领域，创新设计了电离分离器、新型β摄谱仪等核检测设备。鉴于他对物理学的贡献，他被瑞典皇家科学院诺贝尔研究所物理部聘为首任主任，直到1964年退休。

光谱技术领头人

话说卡尔·西格巴恩绞尽脑汁研发核物理检测设备的时候，他29岁的儿子凯·西格巴恩（世称小西格巴恩）已投身于X射线能谱学的研究。获得瑞典斯德哥尔摩大学博士学位的小西格巴恩，沿着当年父亲的足迹，创新性研究X射线光电子能谱。

所谓光电子，是指特种材料受到X光照射时释放出的电子。通过分光计等仪器测量光电子的能量，就能确定是哪种元素，或得知其成分构成。二战前莫塞莱等科学家就做过光电子的实验。战争结束后，有人提议老西格巴恩重新研究光电子，但他婉言拒绝了。他没料到，儿子早已潜心研究光电子了。

准确地说，小西格巴恩的研究目标是“用光电子检测复合材料的成分和纯度”。复合材料比特种材料更复杂，研究难度更大。他带领伊夫林·索科罗夫斯基、卡尔·诺林等科研人员改进分光计，提高其测量精度，以深入研究复合材料。

材料研究持续数十年。小西格巴恩从斯德哥尔摩大学的一般讲师变为乌普沙拉大学物理学教授兼物理研究所所长。和父亲一样，小西格巴恩不但喜欢在实践中探索理论，还善于组织科研人员一起工作。节假日他常常放弃休息或陪伴家人，巡视各个实验室，给予科研人员最切实际的帮助。

在小西格巴恩和团队的不懈努力下，电子光谱学（英文简称“ESCA”）研究得到科学界的普遍重视，而X射线光电子能谱技术（英文简称“XPS”）也得到长足发展。上世纪50年代，小西格巴恩通过实验获得氯化钠的首条高能高分辨X射线光电子能谱，以此显示了XPS的强大潜力。60年代，西格巴恩发表了一系列关于XPS的著作，如《ESCA：借助电子能谱技术研究原子、分子及固态结构》(1967年)、《ESCA应用于自由分子》(1969年)等。1969年，美国惠普公司与小西格巴恩团队合作，成功研制世界上首台商业单色X射线光电子能谱仪。此后十多年，XPS被用于检测空气样品的杂质、特种材料或复合材料的成分或氧化程度。现在，作为一种重要的物理表面成分分析技术，XPS的分析深度在物体表面10nm以内，可以测得单质分子、原子及化合物的元素组成、化学键、化学状态等方面的信息，广泛应用于矿物、高分子聚合物、催化剂、合金、生物医药等分析领域。小西格巴恩当年制定的目标终于实现。