William Bragg

William Henry Bragg (2. heinäkuuta 1862 – 10. maaliskuuta 1942 Lontoo) oli brittiläinen fyysikko. Hän tutki yhdessä poikansa William Lawrence Braggin (1890–1971) kanssa kiteiden atomirakenteita käyttämällä röntgensäteilyä. Heidän työnsä loi röntgenkristallografian perusteet ja toi heille Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1915.
Uransa aikana Bragg oli professori kolmessa yliopistossa, Royal Institutionin johtaja ja Royal Societyn puheenjohtaja. Hän sai Rumford-mitalin vuonna 1916 ja Copley-mitalin vuonna 1930. Vuonna 1920 hänet lyötiin ritariksi.
Elämä ja ura.
Varhainen elämä.
Bragg syntyi 2. heinäkuuta 1862 Stoneraise Placessa, Wigtonin kylässä Cumberlandissa. Hänen isänsä Robert John Bragg oli entinen merikauppias, joka oli ryhtynyt maanviljelijäksi. Äiti Mary Wood kuoli Braggin ollessa seitsemänvuotias. Äitinsä kuoleman jälkeen hän muutti setänsä apteekkari William Braggin luokse Market Harboroughiin Leicestershireen. Siellä Bragg kävi kansakoulun. Vuonna 1873 11-vuotias Bragg osallistui Oxfordin Junior Local -kokeisiin, jotka hän läpäisi koko maan nuorimpana sinä vuonna. Hänen vahvimmat aineensa olivat matematiikka ja nykyaikaiset kielet.
Vuonna 1875 Bragg aloitti opiskelun King William’s Collegessa Mansaarella. William-setä olisi halunnut hänen menevän Shrewsburyyn, mutta Robert-isä päätti toisin. King William’s Collegen kuri oli tiukka ja sosiaalinen sekä psykologinen painostus kova. Oppilaiden välinen kiusaaminen oli myös yleistä. Raamatun opit ja helvettiin joutuminen olivat yleisen pelon kohteina King William’s Collegessa. Bragg selviytyi kouluajasta seuraamalla tarkasti koulun sääntöjä ja keskittyen opiskeluunsa. Raamattua kohtaan hänelle kehittyi elinikäinen pelko, vaikka hän puhui uskonnon ja tieteen yhteydestä myöhemmin. Vapaa-aikana Bragg urheili aktiivisesta ja osallistui koulun tarjoamiin sosiaalisiin ja opetuksellisiin aktiviteetteihin. Julkaisemattomassa omaelämäkerrassaan hän kuvailee itseään hiljaiseksi ja ujoksi koulupojaksi. Hän kertoo pitäneensä jo silloin matematiikan opiskelusta. Vuonna 1880 Bragg palkittiin stipendillä Cambridgen yliopiston Trinity Collegeen. Hänen katsottiin kuitenkin olevan 17-vuotiaana liian nuori aloittamaan opiskelun. Seuraavana vuonna Bragg yritti korottaa stipendiä, mutta epäonnistui. Hänelle myönnettiin pienempi stipendi Trinity Collegeen aiemman menestyksen ansiosta.
Vuonna 1881 Bragg aloitti opintonsa Trinity Collegessa. Hän oli aluksi ujo ja yksinäinen ja koki ettei voinut liittyä opiskelijoiden klubeihin. Sen sijaan hän keskittyi opiskeluun ja tenniksen pelaamiseen. Braggin valmentaja "Tripos"-koetta varten oli J. J. Thomsoniakin valmentanut Edward Routh, joka uskoi hänen kykyihinsä. Bragg menestyikin hyvin vuoden 1882 kokeissa. Kolmen seuraavan vuoden ajan Bragg opiskeli matematiikkaa päivittäin. Hän kulutti tiiviiseen opiskeluun koko aamupäivän, pari tuntia iltapäivällä ja vielä tunnin illalla. Intensiivisen opiskelun ansiosta Bragg sai Tripos-kokeiden ensimmäisestä osasta kolmanneksi parhaan arvosanan (Third Wrangler) vuonna 1884. Seuraavaa osaa varten Bragg erikoistui fysiikkaan ja hankki käytännön kokemusta. Vuoden 1885 kokeissa hän saavutti parhaan arvosanan. Hänen olisi ollut mahdollista hakea apurahaa, mutta kovan kilpailun takia Bragg päätti aloittaa käytännön fysiikan tutkimuksen Cavendish-laboratoriossa. Vuoden loppuun mennessä hän tunsi J. J. Thomsonin erittäin hyvin.
Adelaiden yliopisto.
Vuoden 1885 lopulla Thomson kysyi Braggilta, oliko tämän opiskelutoveri hakemassa juuri vapautunutta professuuria Adelaiden yliopistossa, Australiassa. Tämä oli epäsuora kehotus Thomsonilta ja osoitti hänen uskonsa Braggin kykyihin. Se oli myös kannustus nuorelle matemaatikolle, että jo hänen ikäisellään olisi mahdollisuudet tulla valituksi. Valinnan virkaan tekivät J. J. Thomson ja viran entinen haltija Horace Lamb. Bragg valittiin 23 ehdokkaan joukosta erityisesti hänen matemaattisten taitojensa takia. Adelaiden yliopiston professuurin ("Elder Professor of Mathematics and Physics") vaativuus tarkoitti, että Braggin oli tutustuttava fysiikkaan. Kymmenen kuukautta kestänyt merimatka tarjosi siihen hyvän mahdollisuuden. 
Bragg aloitti työskentelyn Adelaiden yliopistossa vuonna 1886. Hänen työnsä oli raskasta, sillä kykenevistä opiskelijoista oli pulaa. Tästä syystä hän keskittyi opettamiseen eikä tehnyt omaa tutkimusta, vaikka seurasikin tieteen tapahtumia. Hän ystävystyi paikallisen mahtimiehen, postimestarikenraali Charles Toddin kanssa ja vuonna 1889 nai tämän tyttären Gwendolinen. Avioliitosta tuli kolme lasta, William Lawrence, Robert ja Gwendolen. Braggin itsevarmuus ja persoona kasvoivat Adelaidessa ja hänestä tuli nopeasti suosittu. Hän pelasi golfia ja tennistä, maalasi vesiväreillä ja pyöräili ahkerasti. Hän toimi myös paikallisen kirjaston, museon ja taidegallerian kuvernöörinä.
Tieteellisen tutkimuksen Bragg aloitti 1890-luvulla myöhäisellä iällä. Hän tapasi Ernest Rutherfordin ensimmäisen kerran vuonna 1895 tehdessään kokeita Heinrich Hertzin oskillaattorilla. Rutherfordista tuli hänelle tärkeä ystävä ja tukija. Kuultuaan Wilhelm Röntgenin tekemästä löydöstä Bragg rakensi assistenttinsa kanssa oman röntgenputken. Sillä kuvattiin William Lawrencen murtunut kyynärpää, mikä oli ensimmäinen muistiinmerkitty röntgensäteilyn lääketieteellinen käyttötapaus Australiassa. Bragg oli myös kiinnostunut Marie Curien tutkimuksesta radonilla ja hankki sitä omia kokeitaan varten. Nämä varhaiset kokeet olivat kuitenkin muiden tuloksien toistamista. 
Tutkimus röntgen- ja gammasäteillä.
Braggin varsinainen kiinnostus tutkimusta kohtaan heräsi vasta vuonna 1904, jolloin hän piti esitelmän Australian Association of the Advancement of Sciencelle Dunedinissa, Uudessa-Seelannissa. Esitelmäänsä varten Bragg luki Philipp Lenardin tutkimuksen katodisäteiden absorptoitumisesta materiaan ja kiinnostui siitä, miten alkeishiukkaset läpäisevät materiaa. Lenardin kokeessa elektronisäteen hajoamisen syyksi oli esitetty sen kulkeminen läheltä voimakeskusta. Bragg kuitenkin päätteli, että Lenardin johtopäätöksen perusteella alfahiukkasten pitäisi läpäistä ohut tinapaperi helposti ottaen huomioon niiden massan. Hän totesi esitelmässään, että alfahiukkasten läpäisyvoima on riippuvainen niiden kulkemasta etäisyydestä silloin, kun kriittinen etäisyys on ylitetty. Muutoin etäisyydellä ei ole merkitystä. Bragg rakensi yksinkertaisen laitteen, jolla hän alkoi mitata alfahiukkasten kantamaa. Tämä elektrometri mittasi alfahiukkasen ionisaation, kun se kulki ohuen ilmakerroksen läpi. Menetelmällä hän sai tarkan kantaman alfahiukkaselle ja mittasi lisäksi sen ionisaation vaihtelun. Yhdessä Richard Kleemanin kanssa hän havaitsi, että materian pysäytysvoima on verrannollinen sen atomimassan neliöjuureen. 
Tämä kolmen vuoden intensiivinen tutkimus toi Braggille mainetta tieteellisessä yhteisössä. Hän julkaisi tuona aikana 18 artikkelia aina muutaman kuukauden välein. Bragg teki sekä teoreettisia että kokeellisiakin tutkimusta.. Hän lähetti tuloksensa Rutherfordille, joka kannusti häntä jatkamaan työtään. Bragg valittiin Royal Societyn jäseneksi 1909 tieteellisten saavutuksiensa ansiosta. 
Bragg tutki myös, miten beeta- ja gammasäteet erottivat toissijaisia elektroneja materiasta. Hän käytti niistä nimitystä beetasäteet. Tämä tutkimus yhdessä John Madsenin kanssa loi pohjan Braggin käsitykselle röntgensäteilyn hiukkasluonteesta. He osoittivat, että beetasäteiden synty oli riippuvainen gammasäteilyn laadusta, ei sen intensiteetistä. Bragg kehitteli näkemystään röntgen- ja gammasäteilyn hiukkasluonteesta. Hän päätteli säteiden olevan neutraaleja, massiivisia partikkeleja, koska sähkö- ja magneettikentät eivät vaikuttaneet niihin. Säteiden ajatteleminen neutraaleina pareina tuki Braggin tuloksia. Hiukkasteoria selitti monia röntgen- ja gammasäteiden ominaisuuksia. Tutkimuksiensa yhteydessä Bragg havaitsi, että röntgensäteiden ionisaatio on epäsuora, koska säteily vapauttaa toissijaisia elektroneja. Hän oli ensimmäinen, joka ehdotti tätä ja tuki teoriaa kokeilla.
Leedsin yliopisto.
Vuonna 1908 Bragg valittiin fysiikan professoriksi Leedsin yliopistoon (Cavendish Professor). Se oli kunnianosoitus alfahiukkastutkimuksen tuomasta menestyksestä. Hän palasi perheineen Englantiin seuraavana vuonna. Alku Leedsissä oli raskas Braggille. Hän oli ylityöllistetty saadakseen opetuksen laboratoriossa järjestykseen. Opiskelijat eivät arvostaneet hänen luentojaan ja näkemys valon luonteesta aiheutti riitoja kollegojen kanssa. Braggin Gwendoline-vaimolle muutto Englantiin oli vielä raskaampi. Kaunis ja rauhallinen Adelaide muuttui likaiseksi, teollistuneeksi Leedsiksi. Pohjoisen maaseutu ja oman talon puutarha samoin kuin aktiivinen sosiaalinen elämä auttoivat sopeutumisessa. Braggin omia vastoinkäymisiä lievensi tieto hänen poikansa William Lawrence Braggin menestyksestä Trinity Collegessa Cambridgen yliopistossa.
Röntgenkristallografia.
Max von Lauen vuonna 1912 tekemä havainto röntgensäteen diffraktoitumisesta yksittäisessä NaCl-kiteessä sai Braggin ja hänen poikansa William Lawrencen kiinnostuksen. Bragg havaitsi, että jos Lauen diffraktiokuvien kide on kuutio, jonka jokaisessa kulmassa on atomi, silloin koordinaatiston origon ja jokaisen Lauen pisteen välille voidaan piirtää suora viiva, joka kulkee atomin läpi. William Lawrence Bragg selitti tämän yksinkertaisemmin Braggin lain avulla, joka selittää Lauen pisteiden olevan eri tasoissa olevien atomien taittamia säteitä. Bragg käytti poikansa kaavaa laskeakseen atomitasojen välisen etäisyyden, kun röntgensäteen aallonpituus tiedetään. He julkaisivat ensimmäisen yhteisen artikkelin vuonna 1913. Bragg rakensi varhaisen röntgenspektrometrin tutkimusta varten. Spektrometri toimi ionisoivana kammiona, joka havaitsi ja mittasi säteet. Braggien tutkimukset osoittivat, että heijastuneiden säteiden määrää ei voinut selittää vain yhdellä tasolla. Se, vaikuttaako taso vahvistavasti vai heikentävästi heijastuneisiin säteisiin, on riippuvainen tasojen etäisyydestä toisistaan.
Braggien tutkimus muun muassa sinkkivälkkeen ja timantin kiderakenteesta toi heille fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1915. Ensimmäisen maailmansodan takia he ja vuotta aiemmin palkittu Max von Laue saivat palkintonsa vasta vuonna 1922. Sama tutkimus loi uuden tieteenhaaran, röntgenkristallografian.
Löydökset herättivät kysymyksiä, olivatko heijastuneet säteet syntyneet, kun röntgensäde osuu kiteeseen. Bragg tarttui tähän aiheeseen, sillä se tarjosi mahdollisuuden puolustaa hänen hiukkasteoriaansa. Hän tutki heijastunutta säteilyä ionisaatiokammiossa ja havaitsi, että se ionisoi kaasua aivan samalla tavalla kuin tavalliset röntgensäteetkin. Tulokset pystyi selittämään vain, jos röntgensäteily oli aaltomaista. Bragg kuitenkin totesi, että ionisaatioprosessin aikana säteet käyttäytyvät kuin hyvin organisoituneet hiukkaset.
Braggit rakensivat yhdessä varhaisen röntgenspektrografin, jossa platina antikatodin röntgensäteily kulkee tutkittavan kiteen läpi ja taittuu ionisaatiokammioon. Jos taittunut säde ei kohtaa Braggin lain vaatimuksia, kidettä voidaan pyörittää kunnes laki toteutuu. Tällä laitteella Braggit havaitsivat, että heijastunut säteily saa kolme maksimia, kun kidettä pyöritetään. Näin he pystyivät selvittämään, että Lauen tutkima NaCl-kide on täydellinen kuutio. Braggit havaitsivat myös, että muutkin kiteet tuottivat kolme maksimia. Tämä varhainen ionisaatiospektrometri on pohjana nykyaikaisille röntgendiffraktiometreille, joita käytetään kristallografiseen tutkimukseen. 
University College Lontoo.
Vuonna 1915 Bragg nimitettiin fysiikan professorin virkaan Lontoon University Collegeen (Quain Professor of Physics), mutta ensimmäisen maailmansodan takia hän toimi laivaston palveluksessa ensimmäiset vuodet. Bragg oli heinäkuussa 1915 perustetun keksintö- ja tutkimushallinnon (The Board of Inventions and Research) alkuperäinen jäsen. Hallinnon tehtävä oli auttaa laivastoa sotaponnisteluissa. Bragg asetettiin sukellusveneiden vastaisten keinojen kehittelyosaston johtoon. Heidän onnistui rakentaa vedenalaisten äänien havainnointiin käytettävä hydrofoni, josta oli suurta hyötyä taistelussa sukellusveneitä vastaan. Bragg sai komentajan arvon (CBE) vuonna 1917 ja hänet lyötiin ritariksi vuonna 1920. Samana vuonna hänestä tuli Trinity Collegen kunniajäsen.
Sodan jälkeen Bragg aloitti työskentelyn University Collegessa, jonne hän perusti tutkijaryhmän kiteiden rakenteiden tutkimusta varten. University Collegen tutkimusvälineistö ei ollut parhaassa kunnossa, joten Bragg oppilaineen aloitti sen parantelun. Hän jatkoi aktiivisesti tutkimuksiaan kiderakenteiden parissa. Braggit olivat jakaneet tutkimuskentän orgaanisiin ja epäorgaanisiin kiteisiin. Bragg otti orgaaniset kiteet ja aloitti tutkimalla naftaleenin ketjurakennetta jauhemenetelmällä. Tutkimukseen hän käytti Leedsissä kehittelemäänsä röntgenspektrografia. Braggin oletus oli, että bentseenirengas on oikea, muotonsa säilyttävä rakenne. Hänen tuloksensa vahvistivat tämän oletuksen. Bragg tutki myös jään mahdollista rakennetta.
Royal Institution.
Vuonna 1919 Bragg piti joululuennon (Christmas Lecture) Royal Institutionissa. Nuorille kuuntelijoille suunnattu luento oli aiheesta ”Äänien maailma”. Se vahvisti Braggin mainetta erinomaisena ja innostavana luennoitsijana, joka kykeni selittämään vaikeiksi koettuja tieteellisiä asioita tavallisille kuulijoille. Vuonna 1923 Royal Institutionin silloinen johtaja James Dewar kuoli, ja hänen paikkansa vapautui. Virkaan toivottiin Rutherfordia, joka kuitenkin kieltäytyi ja suositteli Braggia tilalleen. Royal Institution tarjosi Braggille ne resurssit, joita hän tarvitsi oman tutkimuksen tekemiseen. Braggistä tuli Royal Institutionin johtaja (Fullerian Professor of Chemistry, Director of Laboratory, Superintendent of the House, Director of the Davy-Faraday Research Laboratory), jonka alaisuuteen kuului muun muassa Davy-Faraday laboratorio. Royal Institution ei ollut parhaassa kunnossa, kun hän aloitti työnsä. Tutkijat olivat ikääntyneitä ja tutkimusvälineistö vanhentunutta. Braggin onnistui palauttaa Royal Institution vanhaan kunniaansa vuoden aikana. Hän sai apua Rutherfordilta, joka vieraili usein laboratoriossa. Bragg toi sinne oman tutkimusryhmänsä University Collegesta. Heidän ensisijainen tehtävänsä oli rakentaa uusia laitteita röntgentutkimusta varten ja jatkaa orgaanisten kiteiden ketjurakenteiden parissa. Bragg ei kyennyt osallistumaan tutkimukseen niin tiiviisti kuin aiemmin, mutta valvoi sitä tarkasti. Hänen tärkeimpiin tehtäviinsä kuului kansantajuisten luentojen antaminen ("Christmas Lectures"), joiden aiheita hän käytti myös tieteellisissä esitelmissään.
Bragg oli vaimoineen asunut maalaisasunnossa Wharfedalessa, mutta pitkän välimatkan takia he muuttivat Watlandsiin, Surreyyn. Perheen toinen poika Robert oli saanut surmansa ensimmäisen maailmansodan taisteluissa Ranskassa. Gwendolen-tytär oli arvostettu taiteilija, ja William Lawrence Bragg professori Cambridgen yliopistossa. Braggin Gwendoline-vaimon kuolema 1929 oli suuri menetys perheelle ja heidän ystävilleen. Hänen kuolemansa jälkeen Gwendolen-tyttärestä tuli isänsä lähimmäinen aina tämän kuolemaan saakka.
Braggin hallinnon aikana Royal Institutionin talo remontoitiin ja luentosali muutettiin nykyaikaisten vaatimusten mukaiseksi. Davy-Faraday laboratorioon rakennettiin röntgengeneraattoreita, jotka nopeuttivat tutkimusta ja tekivät lyhytaikaisen altistamisen mahdolliseksi. Bragg seurasi tieteen uusia kehityksiä aktiivisesti. Eräässä vaiheessa Bragg päätti, että käytännön tutkimuksen ohella olisi hyvä olla myös perusteellista teoreettista tutkimusta. Hän tuki aktiivisesti H. A. Jahnin ja W. H. J. Childsin matemaattista tutkimusta metaanin spektristä. Hän oli myös kiinnostunut K. Lonsdalen ja H. Smithin tutkimuksesta diffuusiopisteistä, joita voitiin havaita orgaanisissa ja epäorgaanisissa yksittäisissä kiteissä. Tästä aiheesta Bragg kirjoitti myös omia artikkeleja ja muistioita, viimeisen juuri ennen kuolemaansa.
Viimeiset vuodet.
Vuonna 1930 Bragg sai Copley-mitalin. Hänestä oli tullut tieteen merkkihenkilö ja kansallinen suuruus. Hän oli kunniatohtori kuudessatoista yliopistossa ja jäsen useassa tieteellisessä seurassa. Vuonna 1931 Bragg valittiin ansioritarikunnan jäseneksi (Order of Merit). Vuonna 1935 hänet valittiin Royal Societyn puheenjohtajaksi, vaikka Bragg piti itseään liian vanhana tehtävään. Bragg oli aina ollut kiinnostunut tieteen tuomisesta kansalle. Hän osallistui radion puheohjelmiin, jotka jäivät myös hänen viimeiseksi julkiseksi esiintymisekseen. Braggin sydän oli alkanut heiketä ja torstaina 10. maaliskuuta 1942 hän kuoli kotonaan. Hänen muistotilaisuutensa pidettiin Westminster Abbeyssä.