Vilijam Henri Brag

Vilijam Henri Brag OM KBE PRS
Lični podaci
Datum rođenja	(1862-07-02)2. jul 1862.
Mesto rođenja	Vigton, Kamberlend, Ujedinjeno Kraljevstvo
Datum smrti	12. mart 1942.(1942-03-12) (79 god.)
Mesto smrti	London, Ujedinjeno Kraljevstvo
Prebivalište	Engleska
Naučni rad
Polje	fizika
Poznat po	Difrakcija rendgenskih zraka Bragova kriva
Nagrade	Nobelova nagrada za fiziku (1915)

Ser Vilijam Henri Brag (engl. Sir William Henry Bragg, 2. jul 1862 – 12. mart 1942) bio je britanski fizičar, hemičar, matematičar i aktivni sportista koji dobio Nobelovu nagradu za fiziku zajedno sa svojim sinom Lorensom Bragom 1915. godine, što je jedinstven slučaj u istoriji. Nobelovu nagradu dobili su "za svoju službu u analizi kristalne strukture pomoću rendgenskih zraka". Mineral bragit je imenovan po njemu i njegovom sinu. Dobio je titulu viteza 1920. godine. Član Kraljevskog društva (eng. Royal Society) od 1907, a predsednik od 1935. do 1940. Najvažnija dela: Svet zvuka (eng. The World of Sound, 1920), Kristalno stanje (eng. The Crystalline State, 1925), Uvod u analizu kristala (eng. An Introduction to Crystal Analysis, 1928), Svemir svetlosti (eng. The Universe of Light, 1933).

Biografija

Stara gimnazija, Market Harboro, u kojoj je plaketa kojom se odaje počast Bragu.

Mladost

Bragg je rođen u Vestvordu, blizu Vigtona, Kamberlend, Engleska, kao sin Roberta Džona Braga, oficira trgovačke mornarice i farmera, i njegove supruge Meri rođene Vud, ćerke sveštenika. Kada je Brag imao sedam godina, njegova majka je umrla, a odgajao ga je ujak, takođe po imenu Vilijam Brag, u Market Harboru, Lesteršir. Obrazovao se u tamošnjoj gimnaziji, na koledžu King Vilijams na ostrvu Man, i nakon što je osvojio stipendiju, na Triniti koledžu u Kembridžu. Diplomirao je 1884. kao treći student generacije, a 1885. dobio je odlikovanje prve klase na matematičkom triposu.

Otkriće rendgenskih zraka

Glavni članak: Rendgenski zraci

V. K. Rendgen objavljuje 1895. da je u modifikovanoj Krukovoj cevi otkrio nevidljive zrake koje izazivaju fluorescenciju, prolaze kroz materiju, te se ne otklanjaju u magnetskom polju. Rendgen je te zrake nazvao X-zraci zbog njihove nepoznate prirode. Iako se posle pokazalo da su takvi zraci već bili uočeni u nekim eksperimentima, na primer Nikola Tesla ih je proizveo delovanjem električnog polja visoke frekvencije, Rendgen ih je prvi istražio, primenio i švatio njihovu prirodu. Ti se zraci proizvode u posebnim cevima koje se zovu rendgenske cevi.

Rendgen je odmah uočio mnoge sličnosti s vidljivom svetlošću. Rendgenski zraci se šire u pravcima, bacaju oštre sene, deluju na fotografsku ploču i u nekim materijama izazivaju fluorescenciju. Ali po nekim svojstvima činilo se da se razlikuju od vidljive svetlosti. Zapazio je njihovu izvanrednu prodornost, i nije ih mogao fokusirati s lećom u žarište, a eksperimenti s lomom svetlosti (refleksija) i refrakcijom novih zraka nisu mu uspeli. Tek kada je 1912. Maks fon Laue dokazao da rendgenski zraci mogu da difratuju (difrakcija), postalo je jasno da su oni transverzalni elektromagnetski talasi, kao i vidljiva svetlost, od koje se razlikuju po mnogo kraćim talasnim dužinama.

Otkriće rendgenskih zraka nastalo je s ispitivanjem katodnih zraka. Rendgen je 1895. zapazio da iz mesta na koje padnu katodni zraci izlaze neki zraci. Novi zraci pokazuju slične osobine s elektromagnetskim talasima. Oni se ne mogu svinuti električnim ili magnetskim poljima, nisu dakle struje naelektrisanih električnih čestica. Iz ovih osobina Rendgen je zaključio da su novi zraci talasi. Kasnije ispitivanje potpuno je potvrdilo ovo mišljenje. Deset godina nakon Rendgenovog otkrića uspeo je C. B. Barkla da proizvede polarizovane rendgenske zrake. Polarizacija bila je znak da su rendgenski zraci transverzalni talasi.

Konačno se to pitanje moglo rešiti tek otkrićem interferentnih i difrakcionih pojava. Međutim, tu su sva nastojanja ostala dugo vremena uzaludna. Svi optički aparati pokazali su se pregrubi. Talasna dužina rendgenskih zraka morala je biti vrlo mala. Tad je Maks fon Laue 1912. došao na srećnu ideju da interferencije izazove prolaskom rendgenskih zraka kroz kristal. U kristalu su atomi poređani u pravilnim razmacima, i takav raspored atoma mora delovati kao optička mreža na one talase kojima je talasna duljina otprilike jednaka razmaku između atoma. Eksperimenti su potpuno potvrdili Laueova očekivanja. Prolazeći kroz kristale, rendgenski zraci bacaju slične difrakcione slike kao i vidljiva svetlost kad prođe kroz optičku mrežu. Iz same difrakcione slike može se po zakonima optike proračunati talasna dužina rendgenskih zraka, kao i razmak između atoma u kristalnoj rešetki.

Od obične svetlosti rendgenski se zraci razlikuju mnogo manjom talasnom dužinom. Talasne dužine rendgenskih zraka po hiljadu puta su manje od vidljive svetlosti. Kratka talasna dužina daje rendgenskim zracima veliku prodornost. Oni mogu nesmetano da prolaze kroz tanke listiće materije. Tek prolazom kroz deblje slojeve bivaju zraci postepeno apsorbovani. Apsorpcija rendgenskih zraka jako zavisi od vrste materije. Jače ih apsorbuju elementi s većom atomskom težinom. Tako olovo znatno jače prigušuje rendgenske zrake od lakog vodonika ili kiseonika. Na tom svojstvu zasniva se primena rendgenskih zraka u medicini. Kosti živih bića građene su pretežno od kalcijuma, dok se meso sastoji ponajviše od ugljenika, vodonika i kiseonika. Budući da kalcijum apsorbuje rendgenske zrake mnogo jače od ugljenika, vodonika i kiseonika, to prolazom kroz organizam ostavljaju rendgenski zraci na fotografskoj ploči slike kostiju, kao i ostalih osobitih materija, na primer žučnih kamenaca.

Rendgenski zraci nastaju udarom katodnih zraka na čvrste materije na metale. Kad prolaze pored atomskih jezgri, elektroni bivaju zakočeni, a tom prilikom emituju svetlost. Po Maksvelovoj teoriji svako usporavanje električnih naboja praćeno je emisijom elektromagnetskih talasa. Što su veće početne brzine i što su elektroni naglije zakočeni, to prodornije rendgenski zraci emituju. Rendgenski zraci koji nastaju kočenjem elektrona imaju kontinuirano raspodeljene frekvencije (takozvana bela rendgenska svetlost).

U Lauevom eksperimentu prolazi bela rendgenska svetlost kroz kristal i ostavlja na fotografskoj ploči difrakcionu sliku. Svetle tačke na Laueovom dijagramu odgovaraju rendgenskim zracima s tačno određenom talasnom dužinom. Prolazeći kroz kristal, nije rendgenski zrak svake talasne dužine sposoban da interferira. Kristalna rešetka „odabira” iz kontinuuma talasnih dužina one koje se prilagođuju prostornom rasporedu njenih čvorišta. Laueov eksperiment ustvari je vrlo zamršen i ne da se tako lako odgonetati.

Pregledniji su odnosi kod modifikacije Lauovog eksperimenta, koju je izveo V. H. Brag. Tu interferiraju rendgenski zraci, koji se „reflektiraju” na kristalu. Kristal neka je tako rezan da njegova granica teče paralelno s ravnima simetrije kristala. Kod grafita to su ravni u kojima su atomi gusto poređani u pravilne šestouglove. Kad rendgenski zraci padnu na kristal, tad se jedan deo reflektuje već na samoj granici, a drugi deo ulazi u kristal. Taj deo opet se delimično reflektuje na prvoj paralelnoj ravni simetrije kristala, a delomično ulazi dublje u kristal. Na taj način refleksirani rendgenski zrak sačinjavaju oni zraci, koji su reflektovani na prvoj, drugoj, trećoj ravni i tako dalje. Superpozicijom tih zraka može se rendgenska svetlost oslabiti ili pojačati. Ako je razlika u putevima zraka između dve kristalne ravni jednaka talasnoj dužini ili celom broju talasnih dužina, tad se svi reflektovani zraci sastavljaju s istom fazom, i nastaje pojačanje.

Razmak između dve ravni simetrije može se označiti sa d. Ugao zraka s granicom kristala može se označiti sa θ. Između zraka koji se reflektuje na granici kristala i zraka koji se reflektuje na prvoj paralelnoj ravni postoji razlika u putevima jednaka 2∙d∙sin θ. Najveća (maksimalna) jačina (intenzitet) rendgenskih zraka dobija se tamo, gde je:

$2\cdot d\cdot \sin \theta =n\cdot \lambda$

gde je: n = 1, 2, 3, …

Zbog svoje velike prodornosti, rendgenski se zraci reflektuju na velikom broju ravni, te se znatna jačina (intenzitet) dobija tamo gde je tačno ispunjen Bragov uslov. Inače, superpozicijom mnoštva talasa različitih faza rendgenski zraci se ugase.

Ako se baci beo rendgenski zrak pod određenim uglom na kristal, dobija se reflektirani zrak samo određene talasne dužine. Prilike su tu slične Laueovom eksperimentu. Prednost Bragovog metoda vidi se jasno tek kad se uzmu monohromatski rendgenski zraci. Ugao θ, pod kojim padaju rendgenski zraci na kristal, može se u eksperimenti lako menjati. Kad rendgenski zrak određene talasne dužine padne na kristal, opaziće se refleksija samo kod određenih uglova θ. Ti uglovi odgovaraju Bragovom uslovu za n = 1, 2, 3, … i tako dalje. Motreći ove određene uglove refleksije, može se izmeriti talasna dužina rendgenskih zraka ili razmak između ravni u kristalu. Na ovaj način odredio je Brag prvi put razmak između atoma u kristalu kuhinjske soli.

Na osnovu Bragovog uslova mogu se izgraditi posebni aparati za merenje rendgenskih spektara. Često se upotrebljava rendgenski spektrograf s kristalom koji se vrti. Kroz uski otvor baci se na kristal oštri snop rendgenskih zraka. Vrtnjom kristala menja se ugao θ. Ako se koriste rendgenski zraci tek nekoliko talasnih dužina, ta se refleksija opaža samo kod nekih određenih uglova kristala. Kad se koristi belu rendgenska svetlost, osvetljenje filma daje sprektralnu raspodelu energije na talasne dužine.

Jednu drugu metodu za ispitivanje kristalnih struktura pomoću rendgenskih zraka pronašli su P. Debi i P. H. Šerer. Njihov metoda u neku ruku je suprotan od Laueovog eksperimenta. Dok Laue pušta belu rendgensku svetlost kroz pravilni kristal, Debi i Šerer došli su na ideju da monohromatske rendgenske zrake puste kroz zbijenu kristalnu prašinu. Ona se sastoji od mnoštva sitnih kristala, koji su nasumce razbacani u svim smerovima. Prolaze li monokromatski rendgenski zraci kroz mnoštvo kristala, naići se na niz kristalnih ravni, kod kojih je ispunjen Bragov uslov. Ovde krisal „ne bira” određene talasne dužine, kao kod Laueovog eksperimenta, nego monokromatska svetlost „bira” kristale, na kojima se može reflektovati. Tih kristalića ima u haotičnom mnoštvu uvek dovoljan broj da se dobije merljiva jačina (intenzitet) rendgenskih zraka. Prednost je Debi-Šererove metode u tome što joj nisu potrebni veliki pravilni kristali.

Rendgenoskopskim metodama osvetljena je struktura čvrstog tela. Kristalna rešetka sa svom geometrijskom pravilnošću odražava se u rendgenskoj svetlosti. I pored toga može se na osnovu rendgenskih snimaka dobiti uvid u strukturu jona ili molekula koji izgrađuju kristalne rešetke. Rendgenoskopske metode postaju sve više jedno od najmoćnijih sredstva hemičara za proučavanje materije.

Publikacije

• William Henry Bragg, William Lawrence Bragg, "X Rays and Crystal Structure", G. Bell & Son, London, 1915.
• William Henry Bragg, The World of Sound (1920)
• William Henry Bragg, The Crystalline State – The Romanes Lecture for 1925. Oxford, 1925.
• William Henry Bragg, Concerning the Nature of Things (1925)
• William Henry Bragg, Old Trades and New Knowledge (1926)
• William Henry Bragg, An Introduction to Crystal Analysis (1928)
• William Henry Bragg, The Universe of Light (1933)

Literatura

• "[a] most valuable record of his work and picture of his personality is the excellent obituary written by Professor Andrade of London University for the Royal Society of London." Statement made by Sir Kerr Grant, in:
• "The Life and work of Sir William Bragg", the John Murtagh Macrossan Memorial Lecture for 1950, University of Queensland. Written and presented by Sir Kerr Grant, Emeritus Professor of Physics, University of Adelaide. Reproduced as pages 5–37 of Bragg Centenary, 1886–1986, University of Adelaide.
• "William and Lawrence Bragg, Father and Son: The Most Extraordinary Collaboration in Science", John Jenkin, Oxford University Press 2008.
• Ross, John F. A History of Radio in South Australia 1897–1977 (J. F. Ross, 1978) [2]
• Da c. Andrade, E. N.; Lonsdale, K. (1943). „William Henry Bragg. 1862-1942”. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. 4 (12): 276. JSTOR 769040. S2CID 202574479. doi:10.1098/rsbm.1943.0003. 
• Van der Kloot, William (2014). Great Scientists wage the Great War. Stroud: Fonthill. 

Spoljašnje veze

• Annotated Bibliography for William Henry Bragg from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues Arhivirano na sajtu Wayback Machine (4. avgust 2010)
• Data from the University of Leeds Arhivirano na sajtu Wayback Machine (18. novembar 2007)
• Fullerian Professorships
• Nobelprize.org – The Nobel Prize for Physics in 1915
• Garner, Louise. „Bragg on the Braggs”. leeds.ac.uk (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2019-12-29. 
• „BBC Radio 4 - Bragg on the Braggs”. BBC (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2019-12-29.