ISSN 0351-9716 PRVIH OSEMDESET LET SPEKTROSKOPIJE AUGERJEVIH ELEKTRONOV Ob desetletnici Augerjeve smrti Stanislav Ju`ni~ University of Oklahoma, Norman, Oklahoma, ZDA POVZETEK Opisali bomo raziskovanje obstreljevanja atomov z elektroni. Raz~lenili bomo zaplete ob odkritju Augerjeve spektroskopije. Zanimali nas bodo prvi uspehi tedanjih raziskovalk, predvsem Lise Meitner. Pojasnili bomo vzroke za dolgotrajno uvajanje Augerjeve spektroskopije v industriji. Pokazali bomo, kako so z njo zadostili potrebam po meritvah lastnosti industrijskih tankih plasti v zadnjih desetletjih. Povzeli bomo prednosti sodobne Augerjeve spektroskopije in omenili ~etrt stoletja njene uporabe v Sloveniji. The Development of Auger Spectroscopy ABSTRACT We researched the early results of bombarding matter with electrons. We described the events around the discovery of Auger spectroscopy, also connected with the first successful woman scientific researcher, Lise Meitner. We explained why so much time elapsed before the industrial use of Auger spectroscopy. We listed the strong sides of Auger method in modern industry. The special concern was put on application of Auger method in Slovenia. 1 UVOD Tanke plasti znamo `e dve stoletji pripraviti z elektrokemijskimi postopki, pol stoletja kraj{a pa je uporaba fizikalnih postopkov naparevanja in napr{e-vanja. Pred sto leti je Thomas Alva Edison (1847-1931) patentiral prvi postopek metalizacije s katodnim napr{evanjem za izdelavo fonografskih plo{~. Edisonovi raziskovalci so pri preverjanju nitk v `arnicah in pri fonografskih plo{~ah uporabljali mikroskope. Vedeli so, da je opti~no pregledovanje tankih plasti premalo natan~no in nezanesljivo. Po prvi svetovni vojni je uporabno re{itev ponudila Augerjeva elektronska spektroskopija (AES) kot analiti~na tehnika v kemiji povr{in in znanosti o materialih. Z AES preverjamo povr{ino po merjenju energije elektronov, izsevanih s povr{ine, debele le nekaj atomskih plasti. Energije izsevanih elektronov so med 2 keV in 50 keV. Nekateri med njimi imajo energije zna~ilne za elemente, iz katerih izhajajo, v~asih pa nam kaj povedo tudi o vezavnih stanjih atomov. 2 ODKRITJE Tako kot {tevilna druga odkritja sodobne fizike je tudi Augerjev pojav povezan z raziskovanjem Rudolfa Hertza (1857-1894). Hertza je k delu spodbudil nekdanji u~itelj Helmholtz v Berlinu in ga priporo~il za profesorja na Vi{ji tehni{ki {oli v Karlsruheju namesto poznej{ega odkritelja katodne elektronke Brauna. Hertz je leta 1887 raziskoval resonance med visokofrekven~nimi oscilacijami v dveh Braunovih prirejenih tuljavah, ki ju je uporabljal kot vibrator in resonator. Opazil je, da razelektritev Ruhmkorffove indukcijske tuljave spro`i dve isto~asni elektri~ni iskri v vibratorju in resonatorju. Prva je bila iskra razelektritve induktorja, ki jo je uporabil za vzbujanje primarne oscilacije. Med poskusi je natan~no meril najve~jo dol`ino druge, {ibkej{e iskre v resonatorju, ki je nastala ob inducirani sekundarni oscilaciji. Zaradi la`jega opazovanja je drugo iskro osen~il s {katlo in presene~en opazil, da se je njena dol`ina ob~utno skraj{ala. S premikanjem {katle je dognal, da ovira med obema iskrama ne vpliva na dol`ino druge iskre le v njeni neposredni bli`ini, temve~ tudi pri ve~jih razdaljah med obema iskrama. Ultravijoli~na svetloba iz prve iskre je povzro~ila drugo iskro, ovira pa je lahko njeno pot prekinila. Hertzov asistent Philipp Lenard (1862-1947) iz Bratislave in astronom Maximilian Wolf (1863-1932) sta marca 1889 v Heidelbegu domnevala, da ultra-vijoli~na svetloba izlo~a delce z merljivo maso. Deset let pozneje je Lenard dokazal, da svetloba pri fotoefektu izbija elektrone. Fotoefekt je odprl nove prilo`nosti za uporabo vakuumske tehnike, saj so ga opazovali tudi v najbolj{em vakuumu, kjer so odpovedali drugi takrat znani pojavi razelektritve. Leta 1899 sta Lenard in J. J. Thomson izmerila pri-bli`no enako razmerje e/m za "katodne `arke", za delce izlo~ane pri fotoefektu in pri "Edisonovem efektu" `arenja kovinskih povr{in.1 Tako sta dokazala, da gre v vseh primerih za enako vrsto delcev, za katere se je postopoma uveljavil naziv elektron. Leta 1902 je Lenard z napa~no razlago fotoefekta navdu{il {tevilne nem{ke raziskovalce, med njimi Jamesa Francka in Heinrichovega ne~aka Gustava Hertza. Einstein je tri leta pozneje pravilno opisal fotoefekt, vendar so mu Nobelovo nagrado za leto 1921 dodelili {ele 9. 11. 1922. Tisti ~as je med 17. 11. in 29. 12. 1922 obiskal Japonsko, zato je nagrado prejel {ele julija 1923. Nagrada je bila posre~en 1 Weinberg, 1986, 103. VAKUUMIST 23/1 (2003) 21 ISSN 0351-9716 kompromis, saj Nobelov odbor v utemeljitvi namenoma ni omenil {e vedno polemi~ne relativnostne teorije. Meitnerjeva je bila leta 1921 gostujo~i profesor na univerzi v Lundu na [vedskem in je pri {vedskih akademikih "navijala" za Einsteina. Bila je judovskega rodu tako kot Hertz in Einstein, antisemitizem pa je polagoma kazal roge tudi med njihovimi sodelavci, predvsem pri Lenardu in Bavarcu Johannesu Starku (1874-1957). Meitnerjeva je postala docentka na berlinski univerzi nekaj mesecev, preden so Einsteinu prisodili nagrado. V Berlinu se je udele`evala tedenskih fizikalnih seminarjev skupaj z Einsteinom, Planckom, Nernstom, Maxom von Lauejem, G. Hertzom, J. Franckom in Dunaj~anom Erwinom Schrödingerjem (1887-1961), ki je leta 1928 prevzel Planckovo katedro. Meitnerjeva je imela mo`nosti za eksperimentalno raziskovanje, ki jih dotlej ni dobila {e nobena znanstvenica, razen desetletje starej{e Marije Curie (1867-1934). Einstein je od 29. 3. 1914raziskoval v Berlinu, zato je njegova Nobelova nagrada stopnjevala zanimanje za fotoefekt in za obstreljevanje snovi z elektroni med berlinskimi raziskovalci. Prilo`nost je najbolje izkoristila Meitnerjeva. Nadaljevala je H. Hertzovo delo za~eto v Berlinu pred tremi desetletji. Zanimal jo je potek beta razpada. Pred odhodom med voja{ke bolni~arke je s Hahnom in Ottom von Baeyerjem raziskovala in fotografirala `arke beta torija in aktinija. Podobne raziskave je objavljal James Chadwick (1891-1974) pri Rutherfordu na univerzi v Manchestru. Leta 1913 je Chadwick dobil {tipendijo "Razstave 1851 za {tudij znanosti", enako kot osemnajst let pred njim njegov {ef Rutherford. Chadwick je izhajal iz siroma{nega okolja v predmestju Manchestra, zato je {tipendijo `elel porabiti kar doma v Angliji. Vendar pravila tega niso dovoljevala, zato se je jeseni leta 1913 odpravil v berlinski laboratorij Rutherfordovega sodelavca Hansa Geigerja (1882-1945) v Physikalisch-Technische Reichsanstalt. Tam je Chadwick tik pred za~etkom prve svetovne vojne odkril zvezni spekter beta `arkov. Odkritje je potrdila Meitnerjeva v sosednjem berlinskem laboratoriju, podobne raziskave pa je isto~asno objavljal Poljak J. Danysz v Var{avi in v Parizu.2 Chadwicka je sredi poskusov v Berlinu presenetila vojna. Nemci so ga ~ez no~ iz sodelavca spremenili v sovra`nika in ujetnika. Po vojni se je pridru`il Ruther-fordu v Cavendishu. Tam sta Chadwick in Charles Drummond Ellis obstreljevala jedra z elektroni in 2 Rosseland, 1923, 180. 3 Meitner, 1922, 143; Meitner, 1922, 145; Meitner, 1923, 54. 4 Ellis, 1922, 303; Meitner, 1922, 54; Rosseland. 1923, 173. 5 Rosseland, 1923, 173, 176, 181. 22 merila izsevane monokromatske `arke gama. Leta 1921 in 1923 sta Francoza R. Ledrus in Maurice de Broglie z rodijevimi beta `arki obstreljevala baker. Bakrovi ioni so sevali {ibko vezane drugotne elektrone s to~no dolo~enimi energijami. Po vrnitvi iz vojne je Meitnerjeva merila sekundarne elektrone, ki jih `arki beta izbijajo iz jeder. Chadwick in Ellis sta trdila, da gre za zvezni spekter `arkov beta. Poskusi Meitnerjeve iz leta 1922 so kazali, da iz obstreljevanega jedra odletavajo elektroni s sprva to~no dolo~enimi hitrostmi, zna~ilnimi za posamezno vrsto jedra. Zvezen Chadwickov spekter je {ele posledica drugotnih vplivov na elektron.3 Vpra{anje je bilo dovolj zanimivo, da so Ellisove meritve Nemci sproti prevajali. Geiger, Chadwick in Ellis so bili seveda Rutherfordovi sodelavci. Njihovo mnenje o sekundarnih elektronih se je razlikovalo od mnenja berlinskih in kopenhagenskih raziskovalcev,4 ne glede na tesne osebne zveze med Bohrom in Rutherfordom ter podobnosti med njunima modeloma atoma. Povojni spor med nem{kimi in Rutherfor-dovimi raziskovalci je bil uvod v {ir{a nesoglasja med poletjem 1923 in decembrom 1927, ko je pri{lo do ostre izmenjave mnenj med Cavendishom in Dunajem o meritvah umetnega razpada jeder in glede Ruther-fordovega modela atoma. Opis Meitnerjeve sta podprla pomembna mlada raziskovalca kvantne teorije Rosseland in Smekal. Dunaj~an Smekal je trdil, da sekundarni elektroni odletijo po neposrednem kvantnem prehodu brez sevanja.5 Leta 1922 je Rosseland napovedal `arke beta z diskretnimi energijami, ki jih danes imenujemo Augerjeve elektrone. Rosselandove domneve so vzbudile pozornost Bohra, ki jih je uskladil z nastajajo~o VAKUUMIST 23/1 (2003) Otto von Baeyer je bil sin Johanna Friedricha Adolfa viteza von Baeyerja (1835-1917), leta 1873 Liebigovega naslednika v Münchnu in prejemnika Nobelove nagrade za kemijo leta 1905. Baeyerji so spadali v Boltzmannov prijateljski krog med njegovo profesuro v Münchnu od leta 1890 do 1894. Boltzmannova priporo~ila so pozneje omogo~ila Meitnerjevi sodelovanje z Ottom von Baeyerjem. Ob prihodu Meitnerjeve v Berlin je bil Otto von Baeyer `e uveljavljen raziskovalec elektronov. Leta 1909 je na fizikalnem institutu univerze v Berlinu nadaljeval Lenardovo raziskovanje po~asnih elektronov iz segrete Wehneltove oksidne katode. Dokazal je, da je triodo mogo~e uporabiti kot manometer v vakuumu. Raziskave Otta von Baeyerja je potegnil iz pozabe {ele Paul Aveling Redhead (r. 1924) leta 1984; zato so za osnovo izuma ionizacijskega merilnika dolgo ~asa imeli O. E. Buckleyjeve meritve iz leta 1916. Otto von Baeyer se je pod o~etovim vplivom lotil bolj kemijskih raziskav radioaktivnosti v sodelovanju s Hahnom in Meitnerjevo. Predaval je na univerzi v Berlinu. ISSN 0351-9716 Slika 1: Wilhelm Lenz (1888-1957) kopenhagensko interpretacijo kvantne mehanike. O sekundarnih elektronih so `e pred Rosselandovo objavo razpravljali na nem{kih univerzah. [e pred izidom Rosselandove teorije je decembra 1922 Lenz pisal Meitnejevi o "beta `arkih, ki izhajajo iz jedra s to~no dolo~enimi energijami". Rosseland je svoje ideje objavil 31. 1. 1923, Bohr pa jih je nekaj mesecev pozneje vklju~il v svojo teorijo zgradbe atoma.6 Norve{ki astrofizik Svein Rosseland (1894-1984) je bil rojen v Kvamu, {tudiral pa je na univerzi v Oslu. Med vojno so se sredi{~a znanosti premaknila v nevtralne de`ele. Zato je konec leta 1920 za~el raziskovati v Bohrovem institutu v Kopenhagnu, kjer je spoznal Einsteina. Med letoma 1928 in 1965 je bil Rosseland profesor astronomije v Oslu, med letoma 1954-1965 pa {e direktor tamkaj{njega observatorija. Adolf G. S. Smekal (1895-1959) je {tudiral na Dunaju in v Berlinu, diplomiral pa je leta 1917 v Gradcu. Po upokojitvi Karla Schmidta leta 1927 je postal "osebni" redni profesor in direktor novega laboratorija za teorijsko fiziko na univerzi Halle. Leta 1933 je napovedal kombinirano sipanje svetlobe. Do prave redne profesure je pri{el {ele pod Hitlerjevim re`imom leta 1934in jo obdr`al do konca vojne. Po vojni je bil profesor na tehni~ni univerzi v Darmstadtu do leta 1949; nato pa se je vrnil na gra{ko univerzo in tam ostal do smrti. Wilhelm Lenz (1888-1957) je bil rojen v Frankfurtu na Maini. Matematiko in fiziko je {tudiral na univerzah v Göttingenu in nato v Münchnu, kjer je leta 1911 doktoriral pri Arnoldu Sommerfeldu in raziskoval kot njegov asistent. Tedaj je za~el sodelovati tudi z Ottom von Baeyerjem, ki je v ~asu Lenzovega doktorata razpravljal s Sommerfeldom o te`avah pri merjenju fotoefekta. Leta 1920 je postal izredni profesor v Rostocku, naslednje leto pa je prevzel katedro na novoustanovljenem Institutu za teoreti~no fiziko v Hamburgu. Med Lenzovimi {tudenti je bil tudi Ernst Ising, avtor slovitega modela feromagnetizma iz leta 1920. Med letoma 1922 in 1928 je bil Lenzov asistent sloviti Wolfgang Pauli (1900-1958), ki je v Hamburgu razvil novo sredi{~e raziskovanja atomske fizike. Kot Dunaj~an je prispeval k tesnim stikom svojega {efa Lenza z Dunaj~anko Meitnerjevo. 6 Rosseland, 1923, 173, 181; Bohr, 1970, 516. 7 Meitner, 1923, 62-64. 8 Crawford, 1997, 28. Da bi razre{ila nasprotujo~e si trditve in potrdila Rosselandovo napoved, je Meitnerjeva junija 1923 tar~o iz izotopa torija obstreljevala z elektroni iz radioaktivnega izotopa bizmuta. Elektroni so izbijali iz uranovih jeder trdneje vezane elektrone. Pri prehodu iz nastalega vzbujenega stanja v vzbujeno stanje z ni`jo energijo ali v osnovno stanje je uranov ion oddal drugotni, {ibkeje vezan elektron, ki ga je napovedal Rosseland. De Broglievi in lastni poskusi so Meitnerjevo prepri~ali, da se drugotni elektron izseva iz istega atoma, ki je absorbiral elektron bizmuta. Drugotni elektron je imel seveda za jedro zna~ilno diskretno energijo, kot se je namenila dokazati. Chadwickova domneva je tako veljala za navadno sevanje beta, ne pa za sekundarne izbite elektrone, ki jih je napovedal Rosseland in jih danes imenujemo po Augerju. Nemci so izgubo vojne vsaj malo ubla`ili s popravkom Chadwickove hipoteze. Meitnerjeva je meritve sekundarnih elektronov in prvo potrditev Rosselandove napovedi objavila sama, ~eprav sta pri predhodnih raziskavah sodelovala tudi Hahn in Otto von Baeyer. Napovedala je, da bosta s Hahnom {e raziskovala potek izlo~anja elektronov,7 vendar morebitnih poznej{ih raziskav nista ve~ objavljala. Raziskovalcem radioaktivnosti in teoretikom Bohrovega kroga se pojav ni zdel dovolj obetaven. Umestili so ga med napovedi kopenhagenske kvantne mehanike, njegova uporaba pri raziskovanju trdne snovi pa jih v bistvu ni zanimala. Von Laue je v 1920-ih letih predlo`il Meitnerjevo za Nobelovo nagrado glede na njena raziskovanja spektrov beta in gama.8 Isto~asno je Arthur Holly Compton (1892-1962) na univerzi Washington v Saint Louisu v dr`avi Missouri odkril po njem imenovan pojav pri sipanju rentgenskih `arkov. Uporabljal je podobno Braggovo eksperimentalno tehniko kot Meitnerjeva in je pri razlagi svojega odkritja med prvimi uporabil naziv foton. Compton je bil {e otrok v ~asu Boltzmannovih predavanj v Saint Louisu leta 1904. Braggove tehnike se je nau~il med {tudijem pri Rutherfordu v Cam-bridgeu leta 1919, kjer je sodeloval s Chadwickom in z Nobelovcem Williamom Lawrencem Braggom (1890-1971), preden je Bragg prevzel katedro v Manchesterju. Po Boltzmannovem samomoru je Meitnerjeva leta 1907 od{la v Berlin, kjer ji je bilo dovoljeno poslu{ati Planckova predavanja. Dunaj je tisti ~as `e izgubljal vodilno mesto pri eksperimentalnem raziskovanju radioaktivnosti in ozra~ja, ~eprav ni manjkalo odli~nih raziskovalcev, med katerimi je bil tudi Lisin mlaj{i VAKUUMIST 23/1 (2003) 23 ISSN 0351-9716 Slika 2: Lise Meitner z Maxom von Lauejem in nizozemskim fizikom Dirkom Costerjem sredi 1930-ih let pred njenim institutom pri Berlinu vrstnik Slovenec Hugo Victor Karl Sirk (1881-1959) iz Gradca. Med strogimi Prusi je bilo Meitnerjevi {e te`je kot na svetovljanskem Dunaju. Profesor Emil Fischer (1852-1919) ji je dovolil raziskovati v laboratoriju v baraki, {ele ko je obljubila, da bo uporabljala stranska vrata instituta in ne bo nikoli vstopila med delovnim ~asom mo{kih. Fischer je leta 1902 dobil drugo Nobelovo nagrado za kemijo, vendar je po vojnih tragedijah naredil samomor. Takoj po prihodu v Berlin je Meitnerjeva za~ela sodelovati z Baeyerjem in predvsem z Ottom Hahnom (1879-1968). Hahn je bil {tiri mesece mlaj{i od Meitnerjeve, pri Fischerju pa je delal `e leto pred njo. Hahn in Meitnerjeva sta skupaj raziskovala nad tri desetletja in botrovala {tevilnim znanstvenim odkritjem. Leta 1912 je Meitnerjeva asistirala Plancku, ki se znanstvenic lep{ega spola ni Slika 4: Meitnerjeva z Ottom Hahnom v Berlinu Dunaj~anka Lise Meitner (Elise, 1878-1968) je bila rojena v `idovski odvetni{ki dru`ini, podobno kot H. Hertz v Hamburgu. Ker dekletom njenega ~asa ni bilo dovoljeno obiskovanje gimnazije, je pri{la do mature po privatnem pouku. Leta 1902 je za~ela {tudirati pri Ludwigu Boltzmannu (1844-1906) kot ena prvih {tudentk fizike in druga `enska, ki je dobila doktorat iz teorijske fizike na dunajski univerzi. 11. 12. 1905 je zagovarjala doktorat o prevajanju toplote v nehomogenih telesih po Maxwellovih ena~bah. Boltzmann in Franz Serafin Exner (1849-1926) sta jo ocenila odli~no, matematik Gustav von Escherlich (1849-1935) pa le zadostno. Ocene so dokon~no usmerile Meitnerjevo v eksperimentalno fiziko. Boltzmann jo je spodbujal, saj je njene probleme dobro spoznal v svoji dru`ini. Boltzmannova `ena, napol Slovenka Henrietta pl. Aigentler (Jetti, 1854-1936), je bila prva {tudentka fizike na univerzi v Gradcu. Tako je na{a Jetti posredno veliko pripomogla k uveljavitvi Meitnerjeve, saj je prebijala led v habsbur{ki monarhiji. tako vneto branil kot Fischer. Naslednje leto je postala stalni znanstveni ~lan Dru{tva cesarja Wilhelma. Prve dve vojni leti je slu`ila kot bolni~arka pri habsbur{ki armadi. Takoj po vojni je za~ela voditi lastno skupino v radio-fizikalnem institutu, skupaj s Hahnom pa sta odkrila element protoaktinij. Meitnerjeva je leta 1926 napredovala v izredno profesorico na berlinski Slika 3: Lise Meitner (Elise, 1878-1968) Slika 5: Lise Meitner malo pred odkritjem "Augerjevih" elektronov ob Bohrovem obisku v Berlinu leta 1920 24 VAKUUMIST 23/1 (2003) ISSN 0351-9716 univerzi, dve leti pozneje pa je Hahn postal direktor Instituta za kemijo cesarja Wilhelma. Meitnerjeva je na povabilo urednika nem{ke enciklopedije Brockhaus napisala razpravo o radioaktivnosti. Urednik je mislil, da ima opravka z gospodom Meitnerjem, saj je bral le tiste njene razprave, pod katerimi je bila podpisana z za~etnico "L". Ko je prispevek podpisala z osebnim imenom, je zgro`en spoznal, da ima opravka z `ensko. Njen prispevek je nemudoma zavrnil. @enske so kljub temu po~asi spreminjale znanost. Meitnerjeva je vpeljala zna~ilen red dobre gospodinje v svojem laboratoriju in s tem marsikoga obvarovala pred tedaj {e neznanimi nevarnostmi sevanja. Poklicnim te`avam zaradi spola so se kmalu pridru`ile {e veliko huj{e nadloge. S Hitlerjevim prevzemom oblasti je @idinja Meitnerjeva izgubila profesuro na berlinski univerzi, ~eprav je kot avstrijska dr`avljanka lahko nadaljevala z raziskovalnim delom predstojnice fizikalnega oddelka Instituta za kemijo cesarja Wilhelma. Ko je leta 1938 Hitler priklju~il Avstrijo, je morala pobegniti. Tako se ni mogla podpisati pod razpravo o odkritju cepitve jeder, ki sta jo pripravljala skupaj s Hahnom. Na skrivaj se je zatekla k Bohru, kjer je na kopenhagenskem institutu za teorijsko fiziko delal njen ne~ak Dunaj~an Otto Robert Frisch. Ustalila se je na [vedskem in leta 1949 postala {vedska dr`avljanka. Njene zveze s [vedsko so bile tesne `e od leta 1921, bila pa je tudi zunanja ~lanica {vedske akademije. Leta 1960 se je preselila v Cambridge. Bila je elegantna dama manj{e rasti in je {e v pozni starosti zmogla zahtevnej{e planinske izlete. Umrla je neporo~ena le tri mesece za svojim dolgoletnim sodelavcem Hahnom. Leta 1992 so po njej imenovali kemijski element z vrstnim {tevilom 109, Hahn pa je takoj po vojni dobil Nobelovo nagrado za kemijo za leto 1944. Evropska fizikalna dru`ba od leta 2000 podeljuje nagrado Lise Meitner, ki sta jo leta 2002 dobila profesorja James p. Elliot in Francesco Iachello za raziskovanje jedra atoma. Odkritja in pogovori na berlinskem fizikalnem seminarju so spodbudili Einsteina h globokim raz-mi{ljanjem o fotonih v berlinskem dnevniku nekaj mesecev po odkritjih Meitnerjeve in Comptona. Meitnerjeva je o svojem odkritju poro~ala 26. 6. 1923 v Zeitschrift für Physik. ^eprav je bila to vodilna nem{ka revija, njenega poro~ila enaindvajset let mlaj{i Pari`an Auger ni pravo~asno prebral. Tako je pojav ponovno samostojno odkril dve leti pozneje, ko je med pripravljanjem doktorata v Parizu obseval vzorce z rentgenskimi `arki. Auger in François Perrin sta `e leta 1922 po sledeh v Wilsonovi celici ocenjevala {tevilo elektronov v atomih. Med pripravo doktorata je Auger sku{al v isti megli~ni celici ponazoriti ves potek vzbujanja atomov Slika 6: Berlinske merilne naprave Lise Meitner plina s fotoni: nastanek fotoelektrona, izlo~itev kvanta sevanja in absorpcijo kvanta z nastankom drugega fotoelektrona. Po nastanku primarnega fotoelektrona je v isti to~ki opazil {e dodatni elektron. Sprva je menil, da nastane zaradi ponovne absorpcije kvanta sevanja v atomu, iz katerega je iz{el. Med priredbo doktorske disertacije za objavo je leta 1926 ugotovil, da dodatni elektroni nastanejo zaradi prehoda brez sevanja, ki ga je napovedal `e Rosseland. Seveda nekoliko presene~a, da je poznal Rosselandovo napoved, ne pa njene prve potrditve v meritvah Meit-nerjeve. Elektroni, oddani pri nesevalnem prehodu, imajo energije, zna~ilne za atom, iz katerega izhajajo, in jih danes imenujemo po Augerju. Pojav je dobil ime po Francozu in ne po nem{ki Judinji; tako zaradi spolnih, kot zaradi nacionalnih predsodkov. Francozi so si sku{ali znova povrniti prevlado v znanosti in berlinskim raziskovalcem ni~ kaj radi niso priznavali uspehov. Meitnerjeva je imela kot `enska tudi sicer {tevilne te`ave na svoji poklicni poti kljub nedvomnim sposobnostim. Nem{ki rojaki je niso posebno vneto podpirali pri prizadevanjih za prioriteto. Tako odkritje Meitnerjeve in dodatni oddani elektron danes imenujemo po Augerju, ki ga je podpirala mo~na francoska {ola raziskovalcev radioaktivnosti. Dve leti mlaj{i Augerjev sodelavec Thibaud je Augerjevo odkritje imenoval "sestavljeni fotoelek-tri~ni pojav". Thibaud je pomagal Mauriceu de Broglieu pri izbijanju Augerjevih elektronov z visokimi energijami takoj po Augerjevem odkritju. Posebno zanimivo za francoske atomiste J. B. Perrino-ve {ole je bilo, da se absorbirana energija atoma ne osvobodi v obliki sevanja, temve~ neposredno kot delec. Auger je opazoval sipanje rentgenskih `arkov na argonu, ksenonu in kriptonu, Thibaud pa je meritev dopolnil s podobnim sipanjem `arkov gama. Leta 1935 je angle{ki kemik Walter Norman Haworth (1883-1950) pri poskusih s trdnimi snovmi poro~al o vrhovih v drugotni porazdelitvi elektronov, VAKUUMIST 23/1 (2003) 25 ISSN 0351-9716 Slika 7: Pierre Victor Auger (1899-1993) Pari`an Pierre Victor Auger (1899-1993) je kon~al École Normale Superieure. Skupaj s Françoisom Perrinom sta vodila napredne mlade znanstvenike. Zbirali so se okoli Françoisovega o~eta Jeana Baptista Perrina (1870-1942) s Pari{ke univerze, ki je dobil Nobelovo nagrado kmalu po Augerjevem doktoratu. Zna~ilnost Perrinove {ole je bil predvsem strogi atomizem, zelo podoben Boltzmannovi {oli Meitnerjeve. Auger je po doktoratu med letoma 1927-1941 raziskoval v Pari{kem institutu, od leta 1937 kot profesor. Leta 1938 je odkril {iroke atmosferske Augerjeve ~rte. V vojnih letih 1941-1945 je raziskoval v Angliji in v ZDA. Po vrnitvi v Francijo je bil najprej komisar za atomsko energijo, med letoma 1948-1959 pa direktor oddelka za znanost pri UNESCU. Prevzemal je visoke administrativne funkcije, povezane z vesoljskimi raziskavami. Meril je kozmi~ne `arke na 4158 m visokem ledeniku Jungfrau v Bernskih Alpah. Njegov sodelavec Paul Ehrenfest (1916-1939), sin fizika Paula Ehrenfesta (1880-1933), se je pri meritvah tragi~no ponesre~il. Auger je v starej{ih letih pisal tudi o filozofiji znanosti. Ni znano, ali mu je bilo `al, da je Meitnerjevi prevzel prioriteto, vsekakor pa sta oba do~akala globoko starost. ki niso bili odvisni od za~etne energije vpadnih elektronov. Sam se ni posebej ukvarjal z analizo povr{in, saj je nadaljeval predvsem Fischerjevo raziskovanje sladkorjev z rentgensko strukturno analizo. Leta 1937 je dobil Nobelovo nagrado za kemijo, deset let pozneje pa je bil povi{an v plemi~a. Comptonovi sodelavci na univerzi v Chicagu R. Schankland, J. C. Jacobsen, E. Pickup in E. J. Williams so objavili Augerjevim podobne poskuse v megli~ni celici. Z njimi so preverjali zakone ohranitve energije in gibalne koli~ine leta 1936 in 1937. Med obema vojnama je bilo `e veliko pripravljenega za laboratorijsko ali celo industrijsko analizo tankih plasti. Ko je proizvodnja tankih plasti v drugi polovici dvajsetega stoletja zahtevala razvoj merilnikov njihovih lastnosti, se je za~elo izbiranje primernih metod. Leta 1953 je J. J. Lander iz Bellovih laboratorijev v New Jerseyju povezal odkritji Hawortha in Meitnerjeve. Dokazal je, da posamezni vrhovi v drugotni porazdelitvi elektronov nastanejo zaradi Augerjevih elektronov, kar Hawrothu ni bilo 9 Lander, 1953, 1367. znano. Lander je eksperimentiral z ogljikom, kisikom, berilijem, aluminijem, nikljem, bakrom, barijem, platino in oksidi. Posebno ga je razveselilo, da ve~ina elementov lahko odda zna~ilne Augerjeve elektrone z nizkimi energijami iz obmo~ja le nekaj plasti atomov na povr{ini. @e dodatek ene ali dveh plasti atomov je mo~no spremenil rezultate poskusa. Zato je napovedal, da bo elektronsko vzbujanje signalov Augerjevih elektronov zanimivo za to~no dolo~anje absorpcijskih koeficientov in z njimi sestave trdnih povr{in v vakuumu.9 ^eprav so tehniko uporabili pri preu~evanjih povr{in, je bilo te`ko zaznati Augerjeve vrhove, saj so bili nalo`eni na po~asno spremenljivo ozadje drugotnih in povratno sipanih elektronov. 3 UPORABA V INDUSTRIJI Leta 1966 sta L. N. Tharp in E. J. Scheibner pokazala, da je Augerjeve vrhove mogo~e opazovati pri elektronski porazdelitvi volframa z uporabo loma elektronov nizkih energij (LEED). Larry A. Harris je naslednje leto AES predstavil kot uporabno orodje za analizo povr{in. Pokazal je, da razlikovanje elektronov s sinhrotronskim zaznavanjem pove~a zna~ilnosti spektra, ki bi jih sicer te`ko opazili pri bolj neposrednih meritvah. Tak{ne spektre so imenovali izpeljane in so bili po Harrisonovih posegih dovolj ob~utljivi za uporabne meritve. Nove metode za pridobivanje izpeljanih spektrov sta kmalu ponudila Weber in Peria z LEED na treh mre`ah. Leta 1969 so P. W. Palmberg, G. K. Bohn in J. C. Tracy uporabili analizator s cilindri~nim zrcalom z veliko prepustnostjo za elektrone. Naprava je bila hitrej{a in ob~utljivej{a, imela pa je tudi bolj{e razmerje signala proti {umu od mre`nega analizatorja LEED-optike. Vrata so se odprla in kon~no smo lahko preu~evali kemijsko sestavo povr{in, podrobnosti ~i{~enja povr{in, adsorpcije plinov ali nalaganja kovin na povr{ine. Sestava povr{in nas obve{~a o njihovi strukturi. Okoli leta 1970 se je AES uveljavila kot rutinska metoda za analizo. Danes je najpogosteje uporabljana metoda za raziskovanje povr{in, tankih plasti in snovi na mejnih ploskvah. AES je uporabna za raziskovanje povr{in, debelih od 0,5 nm do 10 nm, kjer ima dobro Pari`an Maurice de Broglie (1875-1960), starej{i brat Nobelovca Louisa, je {tudiral v Marseillesu. Med letoma 1895-1904je slu`il kot pomorski oficir, nato pa je do konca druge svetovne vojne predaval na Collège de France. Od leta 1921 je bilo njegov asistent Jean Thibaud (1901-1960). Thibaud je bil rojen v Lyonu, kjer je tudi diplomiral in leta 1935 prevzel katedro. Med vojno je bil ravnatelj {ole za fiziko in kemijo v Parizu, pozneje pa se je vrnil domov in vodil institut za jedrsko fiziko. 26 VAKUUMIST 23/1 (2003) Slika 8: Pierre Auger (1899-1993) (levo) in sodelavec Paul Ehrenfest (1916-1939) postavljata merilno napravo na hribu Jungfraujoch v {vicarskih Alpah povr{insko lo~ljivost ter primerno ob~utljivost 100 ppm za ve~ino elementov, razen vodika in helija. 4 AUGERJEVI ELEKTRONI V SLOVENIJI In{titut za elektroniko in vakuumsko tehniko v Ljubljani je od leta 1973 svoje vzorce analiziral z AES na Dunajski tehni{ki visoki {oli ali pa na oddelku za kovine Instituta Maxa Plancka v Stuttgartu. Na pobudo prof. dr. Evgena Kanskega (1926-1987) so kmalu objavljali tudi svoje razprave. Tako so metodo `e dobro poznali, ko so spomladi leta 1977 nabavili prvi rastrski mikroanalizator na Augerjeve elektrone. Z njim se je za~elo ~etrt stoletja uspe{ne uporabe AES v Ljubljani. In{titut za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani pa je leta 1997 nabavil visokolo~ljivostni spektrometer Augerjevih elektronov na poljsko emisijo z rentgenskim fotoelektronskim spektrometrom, Slika 10: Augerjev rastrski spektroskop podjetja PHI, SAM, 545A v laboratoriju za povr{insko analizo na In{titutu Jo`ef Stefan Odsek za tehnologijo povr{in in optoelektroniko VAKUUMIST 23/1 (2003) ISSN 0351-9716 Slika 9: Sferi~ni analizator hitrosti elektronov, elektronska pu{ka in tar~a v Landerjevem poskusu (Lander, 1953, 1383, fig. 2) opremljen z "in situ" lomilno napravo vzorcev. Mo`nosti naprave: • visokolo~ljivostna spektroskopija Augerjevih elektronov (HRAES) • vrsti~na mikroskopija Augerjevih elektronov (SAM) • vrsti~na elektronska mikroskopija (SEM) • rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS) • spektroskopija odbitih elektronov z izgubljeno energijo (REELS). Prav tako je LEED Auger spektrometer na Institutu "Jo`ef Stefan". 5 SKLEP Zgodba o te`avah Meitnerjeve je pou~na tudi za dana{nji ~as. Prepleta se z zanimivo pripovedjo o polovici stoletja, ki je minilo od odkritja AES do njene uporabe v industriji. Odkritje raziskovalcev zgodnje fizike visokih energij so uporabili pri preu~evanju Slika 11: Microlab 310F VG-Scientific za analize povr{in, tankih in ultratankih plasti z HRAES, SAM, SEM in XPS na In{titutu za kovinske materiale in tehnologije 27 ISSN 0351-9716 trdne snovi. Raziskovanje temeljnih zakonitosti razpada beta je koristilo industriji. Tako zgodba povezuje danes nasprotna pola fizikalnega raziskovanja in morda prispeva k iskanju sti~nih to~k med njima ob sodobni krizi fizike.10 6 LITERATURA • Auger, Pierre. 1925. Effect photoélectrique composé. J.Phys. Radium. 6: 205-208. • Auger, Pierre. 1925. Effect photoélectrique composé. C.R.Hebd. Seances Acad.Sci. 180: 65. • Bohr, Niels. 1970. Izbrannie nau~nie trudi. Moskva: Nauka. • De Broglie, Maurice, Thibaud, Jean. 1925. C.R.Hebd.Seances Acad.Sci. 180: 179. • Crawford, Elisabeth, Ruth Lewin Sime, Mark Walker. September 1997. A Nobel Tale. Physics Today. 26-32. • Einstein, Albert. April 1924. Das Komptonsche Experiment. Ist die Wissenschaft um ihrer selbst wissen da. Berliner Tageblatt. No. 159: 20. • Ellis, C. D. 1922. Zeitschrift für Physik. 10: 303. • Meitner, Lise, Otto von Bayer, Otto Hahn. 1913. Das magnetische Spektrum der ß-Strahlen von Radioaktinium und seiner Zerfallsprodukte. Physik. Zeitschr. 14: 321-323. Meitner, Lise, Otto von Bayer, Otto Hahn. 1915. Das magnetische Spektrum der ß-Strahlen von Radiothor und Thorium X. Physikalische Zeitschrift. 16: 6-7. Meitner, Lise. 1922. Über die Entstehung der ß-Strahl- Spektren radioaktiver Substanzen. Z. Phys. 9: 131-144. Meitner, Lise. 1922. Über den Zusammenhang zwischen ß- und y-Strahlen. Z Phys. 9: 145-152. Meitner, Lise. 1922. Über die ß-Strahl-Spektra und ihren Zusammenhang mit der y-Strahlung. Z Phys. 11: 35-54. Meitner, Lise. 1923. Das beta-Strahlenspektrum von UX1 und seine Deutung. Z Phys. 17: 54-66. Lander. J. J. 1953. Auger Peaks in the Energy Spectra of Secondary Electrons from Various Materials. Phys.Rev. 91: 1382-1387. Nagel, Sidney. 2002. Physics in Crisis. http://www. physicstoday.org/vol-55/iss-9/p55.html Rosseland, Sven. 1922. Zur Quantentheorie der radioaktiven Zefallsvorgänge. Zeitschrift für Physik. 14: 173-181. Stari~, Peter. 10. 11. in 17. 11. 1999. Lise Meitner in njen dele` pri odkritju cepitve uranskih jeder. Delo. 41/261: 14-15. http://www.physics.ucla.edu/~cwp/Phase2/Meitner,_Lise@84 4904033. html http://www.eaglabs.com/cai/auginst/history.htm http://www.u.arizona.edu/~xiuminj/web/Auger%20electron.ht ml Weinberg, Steven. 1986. Odkritie subatomnih ~astic. Moskva: Mir. VRHUNSKA VAKUUMSKA TEHNOLOGIJA lilL d .o.o. Ob gozdu 25 2352 Selnica ob Dravi, SLO tel.: +386 (0)2 229 73 90,674 01 90 faks: +386 (0)2 2297 391,671 5181 e-naslov: info@merel.si www.merel.si VARIAN ^jg( Vacuum Technologi m 0 Nagel, 2002. 28 VAKUUMIST 23/1 (2003)