Vom Nobel-Institut zum Nobel-Preis

  • 20. April 2018

Der schwedische Pionier der Elektronenspektroskopie und Physik-Nobelpreisträger Kai Siegbahn wurde vor 100 Jahren geboren.

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Der schwedische Nobelpreisträger Kai Manne Börje Siegbahn

Seit Mai 2015 tragen die Experimentierhallen des Freie-Elektronen-Laser FLASH am Hamburger DESY die Namen von Albert Einstein und Kai Siegbahn. Beide erhielten ihre Nobelpreise für Entdeckungen, die grundlegend sind, um die chemische Zusammensetzung von Proben zu entschlüsseln: Einstein für die Erklärung des photoelektrischen Effekts und der Schwede Kai Siegbahn für die Entwicklung der Photoelektronen-Spektroskopie. Dafür erhielt er 1981 den Nobelpreis für Physik.

In der Physikgeschichte kommt es selten vor, dass Vater und Sohn beide den Nobelpreis erhalten. Kai Siegbahn war sechs Jahre alt, als sein Vater Manne 1924 vor den schwedischen König trat. Später sagte Kai der New York Times, seine frühen Unterhaltungen am Frühstückstisch mit einem Nobelpreisträger hätten ihm einen damals unerwarteten Vorteil verschafft. 

Kai trat in vielerlei Hinsicht in die Fußstapfen seines Vaters, aber er hatte auch den Ehrgeiz, über ihn hinaus zu wachsen. Als er am 20. April 1918 in Lund geboren wurde, war sein Vater Physik-Professor an der dortigen Universität und entwickelte Geräte für die hochauflösende und hochpräzise Röntgenspektroskopie. Kurz nach Kais Geburt folgte er einem Ruf an die Universität Uppsala. Dort studierte der junge Kai Siegbahn von 1936 bis 1942 Mathematik, Chemie und Physik. Anschließend wechselte er an das Nobel-Institut für Physik in Stockholm und promovierte 1944 mit einer Arbeit über „Beta-Spektroskopie“. Bis 1951 blieb er als wissenschaftlicher Mitarbeiter. Anschließend trat er seine erste Professur am Royal Institute of Technology in Stockholm an.

1954 wurde Kai Siegbahn mit 36 Jahren Nachfolger seines Vaters an der Universität Uppsala. „Er kam wie ein Wirbelwind im April“, schreibt sein ehemaliger Mitarbeiter Stig Hagström in seinem Nachruf für Physics Today. „Sein Einfluss wurde sofort sichtbar, von der neu möblierten Bibliothek und dem Lesesaal bis hin zu Forschungsaktivitäten, die mit einer plötzlichen Intensität verfolgt wurden. Kai war seine Arbeitsumgebung wichtig. Die Ausstattung musste den höchsten technischen Standards entsprechen und außerdem gut und ordentlich aussehen.“ Er kam fast jeden Morgen zum 9-Uhr-Seminar und setzte sich in die erste Reihe. Mit seiner ungeheuren Energie und seinem Enthusiasmus habe er seine Überzeugung vorgelebt, dass harte Arbeit der Schlüssel zum Erfolg ist.

Ohne harte Arbeit und seine Begabung zum weltweiten Netzwerken wären Kai Siegbahns einflussreiche Publikationen zur Spektroskopie des radioaktiven Zerfalls vermutlich nicht entstanden. Bereits 1955 veröffentlichte er den Band „Beta- and Gamma-Ray Spectroscopy“. Sein internationaler Einfluss wuchs, als er 1956 Herausgeber des Journals „Nuclear Instruments and Methods“ wurde. Neun Jahre später gipfelte seine Arbeit in der Kernspektroskopie in der Herausgabe des Bandes „Alpha-, Beta- and Gamma-Ray Spectroscopy“. Er hatte dafür 77 international anerkannte Autoren gewinnen können, die er persönlich kannte.

In den 1950er-Jahren begann Siegbahn, sich neben der Kernphysik auch mit Atomphysik zu beschäftigen. Er war nicht der Erste, der auf die Idee kam, den Photoeffekt zu nutzen, um die Elektronenstruktur in Atomen zu untersuchen. Bereits 1910 hatte Harold Roper Robinson in England Materialien mit monochromatischen Photonen bestrahlt und das Spektrum der emittierten Photoelektronen untersucht. Es erlaubte aber keine präzisen Rückschlüsse auf die Bindungsenergie der emittierten Elektronen, weil diese auf dem Weg zur Oberfläche Energie durch Stöße im Material verloren. Stattdessen entwickelten Forscher wie Kais Vater Manne Siegbahn die Röntgenspektroskopie für die Atomphysik weiter.

Das Interesse an der Spektroskopie mit Photoelektronen keimte erst wieder auf, als Kai Siegbahn und seine Mitarbeiter Carl Nordling and Evelyn Sokolowski die Spektren mit einem hochauflösenden, doppelt fokussierenden Spektrometer untersuchten, das sie ursprünglich zur Untersuchung von Beta-Spektren entwickelt hatten. Wie sein Vater verwendete auch Siegbahn Junior viel Zeit und Energie darauf, die Auflösung seiner Instrumente zu erhöhen. Er sagte oft: „Verbessere die Auflösung und Du wirst sicher neue Phänomene entdecken.“ Das sollte sich auch im Fall seiner mit dem Nobelpreis gekrönten Arbeit bewahrheiten. Dennoch war auch ein glücklicher Zufall im Spiel, als sein Team entdeckte, dass man mit Photoelektronen-Spektroskopie sogar Aussagen über die chemische Bindung von Elementen machen kann.

„Eines Abends wollte ich mit Nordling herausfinden, ob man die Photoelektronen-Spektroskopie zu einer Methode für die quantitative Analyse leichter Elemente weiterentwickelt könnte“, erinnert sich Hagström. Um das Spektrometer zu kalibrieren, suchten die beiden Natriumsulfat. Weil aber das Chemie-Lager schon geschlossen war, kamen sie auf die Idee, aus der Dunkelkammer das Fixiermittel Natriumthiosulfat zu holen. Zu ihrer Überraschung sahen sie, dass im Spektrum neben den erwarteten Linien für Natrium und Sauerstoff eine doppelte Linie für den Schwefel auftrat. Sie wussten genug über Chemie, um den Befund richtig zu interpretieren: Der Schwefel lag in der Verbindung in zwei verschiedenen Valenzzuständen vor, und diese hatten sie gerade sichtbar gemacht.

„Kai war zufrieden, als wir ihn am nächsten Morgen trafen, denn er hatte das Ergebnis unserer nächtlichen Arbeit auf seinem Schreibtisch gefunden. Uns war das Potenzial dieser Entdeckung sofort klar. Kai verteilte die Ressourcen schnell zugunsten der neuen Technik um“, so Stig Hagström. ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), wie Siegbahn die Methode nannte, erwies sich als äußerst empfindlich. Seine Gruppe stellte damit in den folgenden Jahren einen Katalog auf, mit dem man ein breites Spektrum von Elementen in verschiedenen chemischen Verbindungen identifizieren konnte. Zusammen mit seinen Instrumenten und Schülern verbreitete sich die Methode weltweit. Heute dient sie dazu, die Oberflächen von Halbleitern zu überprüfen, Oxidation zu messen oder Verunreinigungen in der Luft zu entdecken.

Kai Siegbahn starb hochgeehrt im Juli 2007 im Alter von 89 Jahren. Er hinterließ seine Frau und drei Söhne. Einer von ihnen, Hans, trägt die Fackel als Physik-Professor in Uppsala weiter.

Anne Hardy

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