Physiknobelpreis 1981: Nicolaas Bloembergen — Arthur Leonard Schawlow — Kai Manne Börje Siegbahn

Physiknobelpreis 1981: Nicolaas Bloembergen — Arthur Leonard Schawlow — Kai Manne Börje Siegbahn

 

Die Amerikaner Bloembergen und Schawlow wurden für ihren Beitrag zur Entwicklung der Laserspektroskopie, der Schwede Siegbahn für seinen Beitrag zur Entwicklung der hochauflösenden Elektronenspektroskopie ausgezeichnet.

 

 Biografien

 

Nicolaas Bloembergen, * Dordrecht (Niederlande) 11. 3. 1920; 1948 Promotion an der Universität Leiden, seit 1948 an der Harvard University in Cambridge (Massachusetts), 1951-57 als Associate Professor, seit 1957 als Professor.

 

Arthur Leonard Schawlow, * Mount Vernon (New York) 5. 5. 1921, ✝ Paolo Alto (Kalifornien) 28. 4. 1999; 1949 Promotion an der Universität von Toronto, 1949-61 Tätigkeit an der Columbia University in New York und an den Bell Laboratories, seit 1961 Professor an der Stanford University in Palo Alto.

 

Kai Manne Börje Siegbahn, * Lund (Schweden) 20. 04. 1918; Sohn von Karl Manne Georg Siegbahn (Nobelpreis 1924), 1944 Promotion an der Universität Stockholm, 1951-54 Professor in Stockholm, 1954-83 in Uppsala.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Einen beachtlichen Teil ihrer heutigen Kenntnisse verdankt die Physik der Spektroskopie. Mithilfe der Untersuchung der Absorptions- und Emissionsspektren von Atomen und Molekülen verschiedener Substanzen liefert sie dabei direkte Hinweise auf die inneren Gesetzmäßigkeiten der Natur und ermöglicht zahlreiche Anwendungen in anderen Wissenschaftsdisziplinen. Die Spektroskopie entwickelte sich zu einer breit gefächerten Methode für die exakte Analyse aller Arten von Materie unter Nutzung von Strahlungsquellen aus dem gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dabei konnten lange Zeit im Bereich mittlerer Frequenzen, also im Bereich von Infrarot und des Lichts, kaum Fortschritte erzielt werden. Dies änderte sich erst ab 1960 mit der Entwicklung des Lasers, um die sich Arthur Schawlow und Nicolaas Bloembergen große Verdienste erwarben.

 

 Der Laser wird entdeckt

 

Während des Zweiten Weltkriegs hatte Schawlow durch die Entwicklung von Mikrowellenantennen für Radaranlagen praktische Erfahrungen mit niedrig frequenten Strahlungen gemacht. In den 1950er-Jahren lernte er Charles Townes (Nobelpreis 1964) kennen, der Schawlow dazu veranlasste, mit ihm gemeinsam ein Buch zum Thema Mikrowellenspektroskopie zu verfassen. Nach dessen Veröffentlichung im Jahr 1955 beschäftigten sie sich mit der Frage, ob und wie das Maserprinzip auf den Bereich des sichtbaren Lichts zu übertragen sei. Ende des Jahres 1958 ging aus dieser Arbeit ihr Artikel zum »optischen Maser« (Laser) hervor, dessen theoretische Voraussagen zwei Jahre später mit der Realisierung des ersten Lasers durch Theodore Maiman eindrucksvoll bestätigt wurden. Auch Schawlow beteiligte sich mit seiner Forschungsgruppe in den Bell-Laboratorien am Wettlauf um den ersten Laser. So verlagerte er seinen Arbeitsschwerpunkt auf die Untersuchung der optischen Eigenschaften und Spektren von Festkörpermaterialien, die für einen Laser geeignet erschienen. Nur wenige Wochen nach Maiman gelang ihm im August 1960 als zweitem Physiker, einen Lasereffekt in einem Rubinkristall zu erzeugen. Kurz darauf folgte Schawlow einem Ruf an die Stanford University, an der er eine Forschergruppe aufbaute und eine Vielzahl neuer Methoden zur Untersuchung der Resonanzwechselwirkung des Laserlichts mit Atomen und Molekülen entwickelte. Durch diese als Laserspektroskopie bezeichneten neuen Methoden konnte innerhalb kürzester Zeit die Genauigkeit der Messverfahren im optischen und infraroten Bereich um mehrere Größenordnungen gesteigert werden.

 

Nicolaas Bloembergen verfolgte an der Havard University Probleme der magnetischen Kernresonanzspektroskopie und den Bau von Festkörpermasern, als er durch den Artikel von Schawlow und Townes auf die Möglichkeiten des Lasers aufmerksam wurde. Allerdings sah er mit seinem kleinen Hochschullabor keine Chance, sich am Wettlauf um den Bau des ersten Lasers zu beteiligen. Erst 1961 ermöglichten ihm Forschungsgelder des US-Verteidigungsministeriums die Anschaffung der Lasergeräte und damit den Einstieg in das neue Forschungsgebiet der Laserspektroskopie. Von nun an untersuchte Bloembergen sowohl theoretisch wie experimentell nichtlineare Effekte, wie die Frequenzverdopplung beim Bestrahlen bestimmter Kristalle mit Laserlicht, und wandte diese Effekte mit großem Erfolg in der Spektroskopie an. Er wurde dadurch zum Begründer der nichtlinearen Optik. Deren Methoden fanden unter anderem bei der kontrollierten Veränderung der Eigenschaften von Licht (zum Beispiel Frequenzverdopplung), bei der Erzeugung sehr kurzer Laserimpulse, der stimulierten Ramanstreuung oder der Mehrphotonenabsorption vielfältige Anwendung.

 

 Ein bekanntes Phänomen wird neu entdeckt

 

Als Kai Siegbahn in den 1950er-Jahren begann, den fotoelektrischen Effekt (auch Fotoeffekt) näher zu untersuchen, war das Phänomen mehr als ein halbes Jahrhundert bekannt und von namhaften Physikern wie den Nobelpreisträgern Philipp Lenard (1905), Max Planck (1918) oder Albert Einstein (1921) ergründet worden. Demnach ist elektromagnetische Strahlung wie beispielsweise Licht oder Röntgenstrahlung in der Lage, vor allem beim Auftreffen auf eine metallene Materie aus dieser Elektronen freizusetzen.

 

Die Erklärung des Effekts geht auf die von Einstein 1905 formulierte fotoelektrische Gleichung zurück. Ausgehend von der gequantelten Energie eines Photons postulierte er, dass ein durch Licht aus einer Metalloberfläche herausgeschlagenes Elektron nur die Energie eines einzigen Photons aufnehmen kann. Die kinetische Energie des aus der Oberfläche austretenden Elektrons muss daher der Energie des absorbierten Photons entsprechen. Weiterhin reduziert sich die Austrittsenergie um die materialspezifische Austrittsarbeit, die das Elektron leisten muss, um die Oberfläche verlassen zu können. Einige Elektronen weisen letztlich eine noch geringere kinetische Energie auf, da sie durch Stöße bereits innerhalb des Metalls Energie verloren haben.

 

Es dauerte fast 30 Jahre, bis der österreichische Physiker Otto Frisch 1933 den Impulsübertrag von Photonen auf Elektronen experimentell bestätigen konnte. Mit monochromatischem (farbreinem) Licht, das aus Photonen gleicher Energie besteht, ließen sich zudem durch die Analyse der freigesetzten Elektronen differenzierte Aussagen über die Elektronenstruktur der bestrahlten Proben erzielen. Diese bereits zu Beginn des Jahrhunderts angewandte Methode wurde bald von der Röntgenstrukturanalyse verdrängt, mit der die innere Struktur der Atome wesentlich besser analysiert werden konnte. Das änderte sich, als Kai Siegbahn die Photoelektronen mit hochauflösenden, doppelt fokussierenden Spektrometern analysierte, einer Methode, die ursprünglich zur Messung der Elektronenemission beim radioaktiven Betazerfall entwickelt worden ist. Siegbahn erhielt Spektren, die starke und zugleich sehr dünne zusätzliche Linien enthielten. Die Analysen ergaben, dass sie von Elektronen stammen mussten, die die bestrahlten Proben ohne zusätzlichen Energieverlust verlassen hatten, sodass sich hieraus exakt die Bindungsenergie der Elektronen bestimmen ließ. Diese außergewöhnliche Entdeckung ebnete den Weg für die von Siegbahn entwickelte Fotoelektronenspektroskopie für chemische Analysen (ESCA). Denn die gefundenen Spektren ließen Aussagen über die Art des Moleküls oder des Kristalls zu, in die das elektronenemittierende Atom eingebunden ist. Mit ESCA können daher nicht nur die Atome einer Probe, sondern auch deren chemisches Umfeld bestimmt werden. Die Methode ist heute vor allem in der Oberflächenchemie und bei der Untersuchung von Katalyse und Korrosion unentbehrlich.

 

H. Albrecht, U. Schulte