Lawrence Bragg

Frühe JahreBearbeiten

Bragg wurde in Adelaide, Südaustralien, als Sohn von Sir William Henry Bragg (1862-1942), dem älteren Professor für Mathematik und Physik an der Universität von Adelaide, und Gwendoline (1869-1929), der Tochter von Sir Charles Todd, dem Regierungsastronomen von Südaustralien, geboren.

Er interessierte sich schon früh für Wissenschaft und Mathematik. Kurz nach seiner Einschulung stürzte er von seinem Dreirad und brach sich den Arm. Sein Vater, der von Röntgens Experimenten in Europa gelesen hatte und selbst Experimente durchführte, benutzte die neu entdeckten Röntgenstrahlen und seine Versuchsausrüstung, um den gebrochenen Arm zu untersuchen. Dies ist der erste aufgezeichnete chirurgische Einsatz von Röntgenstrahlen in Australien.

Im Jahr 1900 besuchte Bragg die Queen’s School in North Adelaide, gefolgt von fünf Jahren am St. Peter’s College in Adelaide. Im Alter von 16 Jahren ging er an die Universität von Adelaide, um Mathematik, Chemie und Physik zu studieren. 1908 machte er seinen Abschluss. Im selben Jahr nahm sein Vater den Cavendish-Lehrstuhl für Physik an der Universität von Leeds an und brachte die Familie nach England. Bragg trat im Herbst 1909 in das Trinity College in Cambridge ein und erhielt ein großes Stipendium für Mathematik, obwohl er die Prüfung mit einer Lungenentzündung im Bett ablegte. Nachdem er sich zunächst in Mathematik ausgezeichnet hatte, wechselte er in den späteren Jahren seines Studiums zum Fach Physik und schloss 1911 mit Auszeichnung ab. 1914 wurde Bragg zum Fellow am Trinity College gewählt – ein Fellowship an einem Cambridge College setzt die Einreichung und Verteidigung einer Dissertation voraus.

Zu Braggs weiteren Interessen gehörte das Sammeln von Muscheln; seine persönliche Sammlung umfasste Exemplare von etwa 500 Arten, die er alle persönlich in Südaustralien gesammelt hatte. Er entdeckte eine neue Tintenfischart – Sepia braggi, die von Joseph Verco nach ihm benannt wurde.

KarriereEdit

Röntgenstrahlen und die Bragg-GleichungEdit

Die Zusammensetzung der Röntgenstrahlen war unbekannt, sein Vater vertrat die Ansicht, dass es sich bei den Röntgenstrahlen um Teilchenströme handelte, andere vertraten die Ansicht, dass sie Wellen waren. Max von Laue richtete einen Röntgenstrahl auf einen Kristall vor einer fotografischen Platte; neben dem Punkt, an dem der Strahl auftraf, gab es weitere Punkte von abgelenkten Strahlen – Röntgenstrahlen sind also Wellen. 1912 hatte W. L. Bragg als Forschungsstudent im ersten Jahr in Cambridge bei einem Spaziergang am Fluss die Erkenntnis, dass Kristalle, die aus parallelen Atomschichten bestehen, Röntgenstrahlen, die in den meisten Winkeln auf ihre Oberfläche treffen, nicht beugen, weil die durch Kollisionen mit den Atomen abgelenkten Röntgenstrahlen phasenverschoben sind und sich gegenseitig auslöschen. Wenn der Röntgenstrahl jedoch in einem Winkel auftraf, in dem die Abstände zwischen den Atomlagen im Kristall der Wellenlänge des Röntgenstrahls entsprachen, waren die abgelenkten Strahlen in Phase und erzeugten einen Fleck auf einem nahe gelegenen Film. Aus dieser Erkenntnis heraus schrieb er die einfache Bragg-Gleichung, die die Wellenlänge der Röntgenstrahlen und den Abstand zwischen den Atomlagen in einem einfachen Kristall mit den Winkeln in Beziehung setzt, in denen ein auftreffender Röntgenstrahl reflektiert wird.

Sein Vater baute eine Apparatur, in der ein Kristall in präzisen Winkeln gedreht werden konnte, während er die Energie der Reflexionen maß. So konnten Vater und Sohn die Abstände zwischen den Atomlagen in einer Reihe von einfachen Kristallen messen. Aus dem Gewicht des Kristalls und der Avogadro-Konstante berechneten sie den Abstand der Atome und konnten so die Wellenlängen der Röntgenstrahlen messen, die von verschiedenen Metalltargets in den Röntgenröhren erzeugt wurden. W. H. Bragg berichtete über die Ergebnisse auf Tagungen und in einer Abhandlung, wobei er „seinem Sohn“ (ungenannt) die Gleichung zuschrieb, aber nicht als Mitautor auftrat, was seinem Sohn „einigen Kummer“ bereitete, den er nie überwinden konnte.

Arbeiten zur SchallentfernungsmessungEdit

Bragg wurde zu Beginn des Ersten Weltkriegs in der Royal Horse Artillery als Leutnant der Leicestershire-Batterie eingesetzt. 1915 wurde er zu den Royal Engineers abkommandiert, um eine Methode zu entwickeln, mit der die feindliche Artillerie anhand ihrer Schussgeräusche lokalisiert werden konnte. Am 2. September 1915 wurde sein Bruder während des Gallipoli-Feldzugs getötet. Kurz darauf wurden er und sein Vater mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Er war 25 Jahre alt und ist bis heute der jüngste Wissenschaftspreisträger. Das Problem bei der Entfernungsmessung war, dass die schweren Geschütze mit einer zu niedrigen Frequenz dröhnten, um von einem Mikrofon erfasst zu werden. Nach Monaten frustrierender Fehlschläge entwickelten er und seine Gruppe einen Heißdraht-Luftwellendetektor, der das Problem löste. Bei dieser Arbeit wurde er von Charles Galton Darwin, William Sansome Tucker, Harold Roper Robinson und Henry Harold Hemming unterstützt. Die britische Schallortung war sehr effektiv; jede britische Armee verfügte über eine solche Einheit, und ihr System wurde von den Amerikanern übernommen, als diese in den Krieg eintraten. Für seine Arbeit während des Krieges wurde er mit dem Military Cross ausgezeichnet und zum Officer of the Order of the British Empire ernannt. Außerdem wurde er am 16. Juni 1916, am 4. Januar 1917 und am 7. Juli 1919 in die Liste der Verdächtigen aufgenommen.

Im Zweiten Weltkrieg, in dem er als ziviler Berater diente, wurde die Heißdrahtschallortung eingesetzt.

Zwischen den Kriegen, von 1919 bis 1937, arbeitete er an der Victoria University of Manchester als Langworthy Professor of Physics. Im Jahr 1937 wurde er Direktor des National Physical Laboratory in Teddington.

Nach dem Zweiten Weltkrieg kehrte Bragg nach Cambridge zurück und teilte das Cavendish Laboratory in Forschungsgruppen auf. Er war der Meinung, dass „die ideale Forschungseinheit aus sechs bis zwölf Wissenschaftlern und einigen Assistenten besteht“.

Universität Manchester (1919-1937)Bearbeiten

Nach der Demobilisierung kehrte er zur Kristallographie nach Cambridge zurück. Sie hatten vereinbart, dass der Vater organische Kristalle studieren und der Sohn anorganische Verbindungen untersuchen sollte. Als Ernest Rutherford, ein langjähriger Freund der Familie, 1919 nach Cambridge wechselte, übernahm Lawrence Bragg dessen Stelle als Langworthy-Professor für Physik an der Victoria University of Manchester. Er rekrutierte einen hervorragenden Lehrkörper, zu dem auch ehemalige Sound Ranger gehörten, aber er war der Meinung, dass seine Physikkenntnisse schwach waren und er keine Erfahrung im Unterricht hatte. Die Studenten, darunter viele Veteranen, waren kritisch und rüpelhaft. Er war zutiefst erschüttert, aber mit Unterstützung seiner Familie riss er sich zusammen und setzte sich durch. Er und R. W. James maßen die absolute Energie der reflektierten Röntgenstrahlen, was eine von C. G. Darwin vor dem Krieg aufgestellte Formel bestätigte. Nun konnten sie die Anzahl der Elektronen in den reflektierten Objekten bestimmen und die Strukturen komplizierterer Kristalle wie Silikate entschlüsseln. Aber es war immer noch schwierig: Man musste immer wieder raten und es erneut versuchen. In den späten 1920er Jahren erleichterten sie die Analyse, indem sie Fourier-Transformationen auf die Daten anwendeten.

Im Jahr 1930 wurde er zutiefst beunruhigt, als er ein Stellenangebot des Imperial College in London abwog. Seine Familie scharte sich um ihn, und er fand sein Gleichgewicht wieder, während sie 1931 in München verbrachten, wo er forschte.

National Physical Laboratory (1937-1938)Bearbeiten

Er wurde 1937 Direktor des National Physical Laboratory in Teddington und brachte einige Mitarbeiter mit. Allerdings nahmen Verwaltung und Ausschüsse einen Großteil seiner Zeit weg von der Werkbank in Anspruch.

University of Cambridge (1938-1954)Bearbeiten

Rutherford starb und die Findungskommission benannte Lawrence Bragg als nächsten in der Reihe der Cavendish-Professoren, die das Cavendish Laboratory leiten. Das Laboratorium hatte eine herausragende Geschichte in der Atomphysik, und einige Mitglieder hatten Vorbehalte gegenüber einem Kristallographen, die Bragg durch eine ausgewogene Verwaltung überwand. Er arbeitete an der Verbesserung der Interpretation von Beugungsmustern. In der kleinen Kristallographie-Gruppe gab es einen geflüchteten Forschungsstudenten ohne Mentor: Max Perutz. Er zeigte Bragg Röntgenbeugungsdaten von Hämoglobin, die darauf hindeuteten, dass die Struktur riesiger biologischer Moleküle entschlüsselt werden könnte. Bragg stellte Perutz als seinen Forschungsassistenten ein und erhielt innerhalb weniger Monate zusätzliche Unterstützung durch ein Stipendium der Rockefeller Foundation. Die Arbeit wurde während des Zweiten Weltkriegs unterbrochen, als Perutz als feindlicher Ausländer interniert wurde und anschließend in der militärischen Forschung arbeitete.

Während des Krieges bot das Cavendish einen verkürzten Graduiertenkurs an, der den Schwerpunkt auf die für das Radar benötigte Elektronik legte. Bragg arbeitete an der Struktur von Metallen und war als Berater für Sonar und Schallentfernungsmessung tätig, wobei er noch das Tucker-Mikrofon verwendete. 1941 wurde er zum Sir Lawrence ernannt. Sein Vater starb 1942, und Bragg diente sechs Monate lang als wissenschaftlicher Verbindungsoffizier zu Kanada. Er organisierte regelmäßige Konferenzen zur Röntgenanalyse, die in der militärischen Forschung weit verbreitet war.

Nach dem Krieg war er führend an der Gründung der International Union of Crystallography beteiligt und wurde zu ihrem ersten Präsidenten gewählt. Er gliederte Cavendish in Einheiten um, um seine Überzeugung widerzuspiegeln, dass „die ideale Forschungseinheit aus sechs bis zwölf Wissenschaftlern und einigen Assistenten besteht, die von einem oder mehreren erstklassigen Instrumentenmechanikern und einer Werkstatt unterstützt werden, in der der allgemeine Betrieb von Apparaten aufgebaut werden kann.“ Die leitenden Mitarbeiter verfügten nun über Büros, Telefone und Sekretariatsunterstützung. Der Aufgabenbereich der Abteilung wurde durch eine neue Abteilung für Radioastronomie erweitert. Seine eigene Arbeit konzentrierte sich auf die Struktur von Metallen, wobei er sowohl Röntgenstrahlen als auch das Elektronenmikroskop einsetzte. 1947 überzeugte er den Medical Research Council (MRC), den, wie er es nannte, „galanten Versuch“ zur Bestimmung der Proteinstruktur als Laboratorium für Molekularbiologie zu unterstützen, das zunächst aus Perutz, John Kendrew und zwei Assistenten bestand. Bragg arbeitete mit ihnen zusammen, und bis 1960 hatten sie die Struktur von Myoglobin bis auf die atomare Ebene aufgelöst. Danach war er weniger beteiligt; die Analyse von Hämoglobin war einfacher, nachdem sie zwei Quecksilberatome als Marker in jedes Molekül eingebaut hatten. Der erste monumentale Erfolg des MRC war die Entschlüsselung der Struktur der DNA durch James Watson und Francis Crick. Bragg verkündete die Entdeckung auf einer Solvay-Konferenz über Proteine in Belgien am 8. April 1953, ohne dass die Presse darüber berichtete. Am Donnerstag, dem 14. Mai 1953, hielt er dann einen Vortrag an der Guy’s Hospital Medical School in London, woraufhin Ritchie Calder am Freitag, dem 15. Mai 1953, einen Artikel im Londoner News Chronicle mit dem Titel „Why You Are You. Näheres Geheimnis des Lebens“. Bragg schlug Crick, Watson und Maurice Wilkins für den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 1962 vor; Wilkins‘ Anteil würdigte den Beitrag der Röntgenkristallographen am King’s College London. Unter ihnen war auch Rosalind Franklin, deren „Foto 51“ zeigte, dass die DNA eine Doppelhelix und nicht die von Linus Pauling vorgeschlagene Dreifachhelix war. Franklin starb, bevor der Preis (der nur an lebende Personen vergeben wird) verliehen wurde.

Die Royal Institution (1954-1971)

1953 zogen die Braggs in die elegante Wohnung des Resident Professors der Royal Institution in London, die sein Vater zum Zeitpunkt seines Todes innehatte. In den Jahren 1934 und 1961 hatte Lawrence die Weihnachtsvorlesung der Royal Institution gehalten, und seit 1938 war er Professor für Naturphilosophie an der Institution und hielt jährlich eine Vorlesung. Die Nachfolger seines Vaters hatten die Institution geschwächt, so dass Bragg sie wieder aufbauen musste. Er stockte die Finanzen auf, indem er Sponsoren aus der Wirtschaft gewann. Auf die traditionellen Freitagabendvorträge folgte eine Dinnerparty für den Redner und sorgfältig ausgewählte mögliche Gönner, jedes Jahr mehr als 120 an der Zahl. „Zwei dieser Diskurse im Jahr 1965 bereiteten ihm besondere Freude. Am 7. Mai hielt Lady Bragg, die Mitglied der Royal Commission on Marriage and Divorce (1951-55) und Vorsitzende des National Marriage Guidance Council (Nationaler Rat für Eheberatung) gewesen war, einen Vortrag zum Thema ‚Changing patterns in marriage and divorce‘; und am 15. November hörte Bragg mit sichtlichem Stolz den Vortrag über ‚Oscillations and noise in jet engines‘, den sein Sohn Stephen hielt, der damals Chief Scientist bei Rolls Royce Ltd. war und später Vizekanzler der Brunel University wurde.“ Er führte auch ein Programm von hoch angesehenen Schulvorlesungen ein, die durch die aufwendigen Demonstrationen, die ein Markenzeichen der Institution waren, belebt wurden. Er hielt drei dieser Vorlesungen zum Thema „Elektrizität“.

Er setzte die Forschung in der Institution fort, indem er eine kleine Gruppe rekrutierte, die im Davy-Faraday-Labor im Keller und im angrenzenden Haus arbeitete, unterstützt durch von ihm erhaltene Zuschüsse. Einem Besucher des Labors gelang es, Schwermetalle in das Enzym Lysozym einzubringen; die Struktur seines Kristalls wurde 1965 in der Royal Institution von D. C. Phillips und seinen Mitarbeitern gelöst, wobei die Berechnungen der 9.040 Reflexionen auf dem Digitalcomputer der Universität London durchgeführt wurden, was die Arbeit erheblich erleichterte. Zwei der Abbildungen, die die Anordnung der Aminosäuren in der Kette zeigen, wurden von Bragg gezeichnet. Im Gegensatz zu Myoglobin, in dem fast 80 Prozent der Aminosäurereste in der Alpha-Helix-Konformation vorliegen, beträgt der Alpha-Helix-Anteil in Lysozym nur etwa 40 Prozent der Aminosäurereste in vier Hauptabschnitten. Die anderen Abschnitte bestehen aus der 310-Helix, einer Konformation, die sie bereits früher vorgeschlagen hatten. In dieser Konformation ist jedes dritte Peptid über Wasserstoffbrücken an das erste Peptid gebunden und bildet so einen Ring mit zehn Atomen. Rechtzeitig zu Braggs 75. Geburtstag hatten sie die vollständige Struktur eines Enzyms. Geburtstag die vollständige Struktur eines Enzyms. 1966 wurde er emeritiert.

Die Röntgenanalyse der Proteinstruktur erlebte in den folgenden Jahren eine Blütezeit, in der in Labors auf der ganzen Welt die Strukturen zahlreicher Proteine bestimmt wurden. Achtundzwanzig Nobelpreise wurden für Arbeiten vergeben, bei denen die Röntgenanalyse zum Einsatz kam. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sie an Kristallen durchgeführt werden muss, wodurch Formveränderungen bei der Bindung von Substraten und Ähnlichem durch Enzyme nicht sichtbar sind. Dieses Problem wurde durch die Entwicklung einer anderen von Bragg initiierten Methode gelöst, bei der modifizierte Elektronenmikroskope zur Abbildung einzelner gefrorener Moleküle verwendet werden: die Kryo-Elektronenmikroskopie.

In seiner langen Zusammenarbeit mit der Royal Institution war er:

• Professor für Naturphilosophie, 1938-1953
• Fullerian Professor of Chemistry, 1954-1966
• Superintendent of the House, 1954-1966
• Direktor des Davy-Faraday Research Laboratory, 1954-1966
• Direktor der Royal Institution, 1965-1966
• Emeritierter Professor, 1966-1971

Persönliches LebenBearbeiten

Im Jahr 1921 heiratete er Alice Hopkinson (1899-1989), die Cousine eines im Krieg gefallenen Freundes. Sie hatten vier Kinder: den Ingenieur Stephen Lawrence (1923-2014), David William (1926-2005), Margaret Alice, geboren 1931, (die den Diplomaten Mark Heath heiratete) und Patience Mary, geboren 1935. Alice gehörte zum Lehrkörper der Withington Girls‘ School, bis Bragg 1937 zum Direktor des National Physical Laboratory ernannt wurde. Sie engagierte sich in einer Reihe von öffentlichen Einrichtungen und war von 1945-46 Bürgermeisterin von Cambridge.

Zu Braggs Hobbys gehörten Zeichnen – Familienbriefe wurden mit lebhaften Skizzen illustriert -, Malen, Literatur und ein lebenslanges Interesse an der Gartenarbeit. Als er nach London umzog, vermisste er einen Garten und arbeitete daher als Teilzeitgärtner, ohne dass sein Arbeitgeber dies bemerkte, bis ein Gast des Hauses seine Überraschung darüber zum Ausdruck brachte, ihn dort zu sehen. Er starb in einem Krankenhaus in der Nähe seines Hauses in Waldringfield, Ipswich, Suffolk. Er wurde im Trinity College, Cambridge, beigesetzt; sein Sohn David ist auf dem Parish of the Ascension Burial Ground in Cambridge begraben, wo auch Braggs Freund, der, wenn er überlebt hätte, sein Schwager gewesen wäre, Rudolph Cecil Hopkinson, begraben ist.

Im August 2013 präsentierte Braggs Verwandter, der Rundfunksprecher Melvyn Bragg, eine BBC Radio 4-Sendung („Bragg on the Braggs“) über die Physik-Nobelpreisträger von 1915.