Charles Glover Barkla

Charles Glover Barkla (1877–1944) var en britisk fysiker og mottok i 1917 Nobelprisen i fysikk for sin utforskning av egenskapene til røntgenstråling. 

Barkla ble utdannet i matematikk og fysikk ved det som i dag er universitet i Liverpool. De siste årene arbeidet han der under Oliver Lodge med elektromagnetiske fenomen og mottok en mastergrad i 1899. Samme året ble han opptatt ved Trinity College ved University of Cambridge for å arbeide sammen med J. J. Thomson som hadde oppdaget elektronet noen år tidligere. Der fortsatte han sine studier rundt utbredelse av elektromagnetiske bølger, men skiftet snart over til å studere egenskapene til røntgenstråling. Dette samarbeidet med Thomson ville bety mye for hans videre forskningskarriere. 

Han var også opptatt av musikk og sang og ble tatt opp i kirkekoret ved King's College. Med sin kraftige bass-stemme tiltrakk han et stort publikum.

Etter å ha returnert til forskjellige stillinger ved det nye universitetet i Liverpool, tiltrådte Barkla i 1909 en stilling som professor ved University of London. I 1912 ble han innvalgt i Royal Society. Året etter ble han utnevnt til full professor og leder for "Natural Philosophy" ved Universitetet i Edinburgh hvor han ble frem til sin død i 1944.

Barkla var en religiøs person og hadde senere i sitt liv vanskeligheter med å akseptere de nye idéene i kvantefysikken som han selv hadde vært med å etablere gjennom sine grunnleggende eksperimenter.

 Vitenskapelige bidrag 

Under slutten av sin tid ved Cavendish-laboratoriet ved universitetet i Cambridge, begynte Barkla i 1902 å eksperimentere med røntgenstråling under ledelse av J. J. Thomson. På denne tiden visste man ikke hva denne strålingen bestod av. Man kunne måle om den var "myk" eller "hard", avhengig om den ble mye eller lite absorbert i forskjellige materialer eller gasser. Disse egenskapene ble snart synonyme med at strålingen hadde høy eller lav energi. Målingene ble gjort ved bruk av elektroskop som målte ionisasjonen som strålingen skapte. Denne teknikken gjorde det også mulig å registrere i hvilken retning den gikk.

Røntgenstrålingen ble produsert ved å sende katodestråler gjennom et elektrisk potensial slik at de treffer en antikatode. Thomson hadde noen få år tidligere vist at katodestrålene besto av elektroner. Ble den produserte røntgenstrålingen sendt mot et annet stoff, viste det seg at ny stråling ble emittert i forskjellige retninger. Denne ble kalt for sekundær røntgenstråling. Det var utforskningen av denne som skulle gjøre Barkla berømt.

 Spredning av røntgenstråling 

Etter kort tid kunne Barkla vise at den sekundære røntgenstrålingen hadde samme energi som den innkommende strålingen. C. G. Barkla, Secondary Radiation from Gases subject to X-Rays, Phil. Mag. 5, 685-698 (1903). C. G. Barkla, Energy of Secondary Röntgen Radiation, Phil. Mag. 7, 543-560 (1904). Dette bekreftet teorien om at strålingen måtte være av elektromagnetisk natur og at den sekundære strålingen oppstod ved elastisk spredning som forklart av Thomson. J. J. Thomson, Philosophical Magazine 5, 268-270 (1903). På den tiden ble dette omtalt som en 'eterpuls' ved at de innkommende, elektriske svingningene i strålingen fikk elektronene i det spredende materialet til å sende ut nye eller sekundær stråling med de samme egenskapene.

I en senere diskusjon med William Bragg som på det tidspunktet mente at røntgenstrålingen bestod av små, sammensatte partikler, målte Barkla i 1907 hvordan den sekundære strålingen varierte med spredningsvinkelen θ. C. G. Barkla, The Nature of X-Rays, Nature 76, 661–662 (1907)., Når denne var 90°, var intensiteten halvparten av hva den var i forover-retning. Disse målingene stemte med Thomsons formel som sa at intensiteten skulle variere som 1 + cos2θ og dermed bekreftet at røntgenstrålingen var elektromagnetiske bølger.

 Antall elektroner i atomet 

Fra de samme målingene kunne Barkla også bidra avgjørende til forståelsen av hvordan atomene er bygd opp. Reduksjon av intensiteten til strålingen når den beveger seg gjennom et stoff, er proporsjonal med spredningstverrsnittet til Thomson multiplisert med antall elektroner i hvert atom av stoffet. Det fulgte da at dette antallet ikke kunne ikke være mye større enn massetallet A til atomet. C. G. Barkla, Philosophical Magazine 7, 556–557 (1904). Dette ble i de følgende årene bekreftet ved stadig nye målinger og ble et alvorlig problem for Thomsons rosinbollemodell for atomet. I denne måtte nemlig antall elektroner være meget stort både for å gi atomet nok masse og samtidig gjøre det stabilt i sine bundne baner. Ti år senere da Ernest Rutherford gjorde sine eksperimenter med spredning av alfapartikler, var antall elektroner per atom kjent å være omtrent det halve av massetallet basert på den samme type målinger som Barkla inisierte.

 Polarisert røntgenstråling 

Det var kjent at spredning av lys i atmosfæren gir opphav til at det blir polarisert. Når spedningsvinkelen er 90°, blir det fullstendig polarisert med det elektriske feltet normalt på spredningsplanet. 

For å vise at røntgenstrålingen også bestod av elektromagnetiske bølger, tenkte Barkla ut et genialt eksperiment. Han resonerte seg frem til at den primære strålingen han benyttet og som kom ut av røntgenrøret i en retning som var normal til retningen av katodestrålen som produserte den, ville være delvis polarisert med det elektriske feltet for det meste i produksjonsplanet. Når så denne polariserte strålingen blir spredt en vinkel 90°, skulle det forventes en minimal intensitet av spredt, sekundære stråling i dette planet og maksimal intensitet normalt på planet. Ved å roterere røntgenrøret normalt på retningen til katodestrålen, ville produksjonsplanet også rotere. Dermed skulle intensiteten i en fast detektor varierere periodisk med denne rotasjonen. 

Dette viste Barkla var tilfelle i en serie med overbevisende eksperimenter. C. G. Barkla, Polarisation in Röntgen rays, Nature 69, 463 (1904); Polarized Röntgen Radiation, Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A204, 467 (1905); Polarization in Secondary Röntgen Radiation, Proc. Roy. Soc. (London) A77, 247-255 (1906). De bidro sterkt til han hadde fikk et internasjonalt ry.

 Karakteristisk røntgenstråling 

I sine eksperiment med polarisasjonen hadde Barkla benyttet den sekundær røntgenstråling som kom fra spredning på kull. Når han i stedet benyttet tyngre spredere, fant han at polarisasjonen forsvant samtidig som den sekundære strålingen ble mindre energetisk enn den innkommende. Det kunne derfor ikke lenger foregå elastisk spredning på elektronene i atomene, men måtte skyldes en ny prosess. Den utsendte, sekundære strålingen viste seg å være uavhengig av retningen og polarisasjonen til den innkommende, primære strålingen. C. G. Barkla, Secondary Röntgen Radiation, Nature 71, 440 (1905); Secondary Röntgen Radiation, Philosophical Magazine, 11, 812–828 (1906).

Barkla var på dette tidspunktet flyttet til Liverpool. Sammen med en kollega der ble eksperimentene videreført.C. G. Barkla and C. A. Sadler, The Absorption of Röntgen Rays, Philosophical Magazine 17, 739-760 (1909). C. A. Sadler, Transformations of Röntgen Rays, Philosophical Magazine, 18, 107–132 (1909).  De påviste at den sekundære strålingen som ble sendt ut fra tyngre grunnstoff, var homogen med en bestemt energi på samme måte som for en spektrallinje fra et atom. Det var en karakteristisk røntgenstråling som var forskjellig for hvert grunnstoff. Den bestod av to komponenter med litt forskjellig energi som ble sagt å tilsvare en A- og en B-gruppe. Begge typene sekundærstråling tilsvarte fluorescens i atomfysikken ved at den utsendte strålingen hadde mindre energi enn den innkommende. I dag har røntgenfluorescens mange praktiske anvendelser.

I 1909 hadde Barkla trådd til i en ny stilling i London, noe som betydde innledningen til en ny, aktiv periode med eksperimenter. Dette resulterte i at han døpte om navnene til de to typene sekundærstråling han hadde oppdaget fra å være av type B eller A til å være av type K eller L hvor K-strålingen var den mest energetiske. C. G. Barkla, The Spectra of the Fluorescent Röntgen Radiations, Philosophical Magazine 22, 396-412 (1911). Grunnen var at han regnet med å finne nye grupper og for å kunne gi plass til disse, var det mest fornuftig å starte midt i alfabetet med plass til både mer og mindre energiske sorter. 

Selv om disse betegnelsene snart ble brukt internasjonalt, viste det seg at Barkla etter dette ikke kom frem til nye resultat av samme betydning som tidligere. Den som virkelig brakte denne forskningen et stort skritt videre, var Henry Moseley et par år senere. Da var det blitt mulig å måle bølgelengden til strålingen ved hjelp av røntgendiffraksjon. Den karakteristiske røntgenstrålingen som Barkla hadde oppdaget, ville dermed avsløre atomets innerste egenskaper.

 Senere år 

Barkla mottok Nobelprisen i fysikk i 1917 for sin utforskning av egenskapene til den karakteristiske røntgenstrålingen. I sitt foredrag ved anledningen diskuterte han nye resultater han hadde oppnådd, men satte dem ikke i sammenheng med fremskritt og ny innsikt som i mellomtiden var fremskaffet av andre. C. G. Barkla, Characteristic Röntgen radiation, Nobel-pris foredrag, Stockholm (1918).

På dette tidspunktet var han blitt spesielt opptatt med en ny, enda mer energetisk røntgenstråling som han mente å ha obsertvert og betegnet med bokstaven J. I de følgende årene brukte han mye tid på å finne ut hva dette kunne skyldes, uten å komme til noen endelig forklaring. Denne nye J-strålingen kunne heller ikke påvises av andre, og viste seg etter lang tid å skyldes helt andre forhold ved hans eksperimenter. R. J. Stephenson, The Scientific Career of Charles Glover Barkla, American Journal of Physics 35, 140-152 (1967). 

Barkla var en god foreleser og tålmodig veileder for sine studenter. I tillegg til å forsette i fritiden med sin korsang, satte han også pris på å spille golf.

 Referanser 

 Eksterne lenker 
  C. G Barkla biography, St. Andrews University

Kategori:Britiske fysikere
Kategori:Britiske nobelprisvinnere
Kategori:Nobelprisvinnere (fysikk)
Kategori:Medlemmer av Royal Society
Kategori:Personer fra distriktet Halton