6
ФИЗИКА
В АКАДЕМИИ НАУК СССР
(1917-1974 г.г.)
В. А. Лешковцев
Созданная Петром I Академия наук на протяжении XVIII века была почти единственным центром физической науки в России. Но уже в самом начале XIX века в стране начали возникать и успешно развивать новые научные центры, где проводились физические исследования. Это были университеты, медико-хирургическая Академия, Московское общество испытательной продукции. Со временем внекадемическая физика стала играть очень важную роль в развития физики в России. Алексадр Григорьевич Столетов, Николай Алексеевич Умов, Петр Николаевич Лебедев, Алексадр Степанович Попов и ряд других известных русских физikов не были членами Академии наук. Можно сказать, что роль Академии в развития отечественной физики в конце XIX и начала XX века была веснаскромной.
Это положение коренным образом изменилось вскоре после Великой Октябрьской революции. В начале тридцатых годов Академия наук становится высшим научным учреждением Советского Союза, объединяющим крупнейших ученых различных отраслей знания, в том числе и физков. Уже в эти годы в ее состав мы видим выдающийся советских физikов Абрама Федоровича Ноффе, Дмитрия Сергеевича Рождественского, Леонида Исааковича Мандельштама, Сергея Ивановича Вавилова,
Дмитрия Владимировича Скобельцына, Николая Дмитриевича Папалекси, Владимира Алексадровича Фока, Игоря Евгеньевича Тамма, Петра Леонидовича Капицу, Льва Давидовича Ланду и других. Быстро расширяется сеть научных институтов, занимающихся разработкой физических проблем.
Физика оказывает решающее влияние на развитие отрасли техники — энергетику, связи, промышленное производство. В нашей она является одной из главных движущих сил научно-технической революции, преобразующей современную промышленность. В связи с этим возникает необходимость успешного развития физических исследований.
В настоящее время в состав Академии наук СССР входит более двадцатых научных физических институтов. Средних физических институтами А. Ф. Иоффе, Институт физических проблем имени С. И. Вавилова, Институт критического имени А. В. Шубникова, Институт теоретической физики имени Л. Д. Ланду, Институт радиотехники и электроники, Институт физики творого тела, Институт физики высоких делений и других. Многочисленные научные физические институты созданы в Республиканских Академиях. Кроме того, члены Академии руководят работой во многих физических ин-
7
ститутах, не принадлежих Академии наук (Иститутatomной энергии имен И. В. Курчатова, Объединенный институт ядерных исследований, Иститут физики высоких энергии, Иститут точной механики и вычислительной техники и т. д.).
Академия наук СССР определяет развитие современной физики и обеспечивает подготовку научных работников наиболее высокой квалификации.
В небольшой степени совершенно невозможно расскадаать о достижениях Академии наук в области физики за годы совершенствования. Об этом уже написаны обстоятельные научные труды. К тому же большим работ по своему научному содержанию необсячайно сложно и далеко выходит за рамки школьных представлений.
Мы рассекем здесь лишь о некоторыхfundamentальных исследованийвыдающихся современных физиков — членов Академии наук СССР. При этом решойой о работах, авторов которых уже нет среди нас. Что же касается ниже здравствующих авторовfundamentальных физических исследований, то мы надемся, что они сами рассекут о свойствах достижения на страницах нашего журнала.
Несмотря на большое количество направлений, на которые разделились современная физика, основными ее разделами остатся физика творого тела, оптика и радиоэлектроника, физика atomного ядра и элементарных частиц. В каждом из этих направлений современные физики выполили исследование, ставшие классические.
Наш рассказ мы научем с физики творого тела.
Огромный вклад в эту чрезвычайно важную область физики внесли работы Академика Абрама Федоровича Юффе и его ученников.
Большинство творых тел имеет критический структуру. При исследовании их свойств физики всегда
Академик А. Ф. Юффе (1880—1960).
стремятся пользоваться образцами, максимально приближающимся к идеальным критическим структурам, так и по степени химического чистоты. Это вплоне оправдано, потому что только на совершенных образах можно получить однозначные результаты исследований.
Долго время в физике господствовали представления о том, чтоrealные критические тела мало чем отличятся от идеальных. Общепризнанная теория критических тел, разработанная Максом Борном, исходила из представления об идеальном критале, где каждый atom находится на своей месте, а какие-либо нарушения структуры (примеся, внутренние дефекты) полностью отсутствуют. Эта теория описывала многое свойства критических тел (электропроводность, теплопроводность и т. д.). Но как только дело доходит до определенения прочности на разрыв, наблюдаюсь громадное расхождение между теоретическими представлениями и экспертизами.
9
А. Ф. Иоффе метод стал одним из основных методов исследования механизма деформаций кристаллических тел.
Продолжая эти исследования, А. Ф. Иоффе установил, что пластичная деформация происходит в кристалле не неперивно, как думали до той поры все физики, а скачообразно. При неперивно действующей нагрузке деформация идет скачками, повторяющимся через одинаковые промежутки времени и даже сопроводяющимся сlaubыми щелчками, напоминающим тиканече часов.
Этими, а также и неокторыми другими работами А. Ф. Иоффе заложил фундамент современных представления о механизме прочно и пластничности реальных твердых тел. Он подал физикам глубокую идею о необходимости изучения различных дефектов кристаллической решетки, чрезвычайно сильно влияющих на многое свойства твердых тел.
Другой области физики тердого тела, в котором академик А. Ф. Иоффе также внес вместе с своим учениками огромный вклад, является физика полупроводников. Сегодня трудно себе представить развитие техники без полупроводников. Но сорок с лишним лет назад, когда А. Ф. Иоффе заняла систематическая исследование свойств полупроводников, многие физики весла критически относясь к этому начинию. В то время казалось, что только металлы и диэлектрики являются материалов, достойными серbezных физических исследований. Проводники и изоляторы — это важно и нужное техническое, а полупроводники, хотя к ним относится большимство природных соединений, — бесполезный и бесперспективный материал. Но А. Ф. Иоффе генциально представил ту огромную революционизирующую роль, которое уже сегодня полупроводники играют в технике. «Можно предложать, — говорил он немного позднее, — что прогресс техники в гораздо меньшем程度上 позволяет стать одним из основных методом исследования механизма деформаций кристаллических тел.
На первых порах нужно было разработать методы получения достагоно чистых полупроводников и способы определения их основных физических характеристик: концентрации носителей тока, типа проводимости (электронный или дырочный), подвижности электровов и дырок и т. д. Многие из этих методов, впервые созданные А. Ф. Иоффе и его учениками, стали впоследствии классифицими.
Школа Иоффе выполнила целую серию пюнерских исследований электрических, галванамагнитных, термозлектрических и фотоэлектрических свойств полупроводников различных типов.
Одним из важнейших результатов, полученных А. Ф. Иоффе и его сотрудниками, было обнаружение огромного влияния примесей на электрические свойства полупроводников. А. Ф. Иоффе показал, что применение только меняют в широких пределах проводимость полупроводников, но могут изменять даже накопитель тока, превращать электронный полупроводник в дырочный и наоборот. Причем, роль применения могут играть не только чужеродные atoms, но и собственные atoms полупроводника при их избытке или недостатке. Например, избыток atoms в полупроводнике PbS делает этот полупроводник электронным, а избыток atoms серы — дырочный полупроводником.
А. Ф. Иоффе первым сформировал и экспериментально обосновал современные представления о механизме выпрямляющего действия полупроводников. Он показал, что в результате контакта двух полупроводников с различными носителями тока — электронного и дырочного — образуется запирающий слой (по современной терминологии «p — n-переход»). При этом ток может свободно проходить через соприкасающие
10
ся участки только в том направлении, при котором электrons и дырики движутся навстречу друг друг по направлению к контакту, где они встречаются и рекомбинируют. В противоположном случае электrons и дырики расходятся друг от друга и проводимость контактоного слоя резко падает, так как в нем остается крайне мало носитель тока. Эти работы открыли путь к созданию полупроводниковых выпрямителей (диодов).
Особенно большее внимание А. Ф. Иоффе уделял исследованием термозлектрических и фотоэлектрических свойств полупроводников. Использовая эти свойства, можно создать новые методы прямого преобразования энергии теплла и света в электрическую энергию. Работами А. Ф. Иоффе были заложены основы современных солнечных батарей, успешно использованы на космических аппаратах.
А. Ф. Иоффе создал теорию термозлектрического и термозлектрических холодильников, открыв для современной техники новую общую — полупроводниковую энергетику. Под его руководством были сконструированы десяти новых типов полупроводниковых прибора и энергетических устройств, получивших разнообразные практические применения.
С давних пор была известна аналогия между электрическими и магнитными полями. Известна и формульная аналогия между магнитной и диэлектрической проницаемостью. Но долго время среди диэлектриков не было обнаружено вещество с аномально большой диэлектрической проницаемостью, подобной аномальной магнитной проницаемости ферромагнитков. Только в двадцать годы было найдено несколько таких веществ, в том числе сегнетова соль. Их исследованием заняла академик Игорь Васильевич Курчатов со своей сотрудниками. В течение короткого времени их работы положили начало новой области физики диэлектриков, которая называется сегнетоэлектрическом. Оказалось, что зависимости электрического момента сегнетовой cols от внешнего электрического поля такая же, как и намагниченная ферромагнитков от магнитного поля: наблюдается такая же histерезисная петля. Исследовались точка Кюри (их оказалось две) и явления, сопровождающие переход через эту точку. Словом, был воспроизведен электрический вариант длиной истории изучения ферромагнитков.
В истории советской физики имя академика И. В. Курчатова неразрывно связано с решением градинозной проблемы создания отечественного атомного и термоядерного оружия и развития атомной энергетики.
Рассказ об этих исследовании вы найдете в статье академика И. К. Кикона «Он прохил счастливую жизнь», помещенной в этом же номере нашего журнала.
В современной физике творого тела важную роль играет теоретическая физика с ее веса сложным математическим аппаратом. Кристаллическое тело, которое прежде расстматривалось как система, состоящая из колблющся атомов и молекул, теперь расстматривется как объем, заполненный фономным газом. Фононами называют кванты поля колбачий решетки — по аналогии с фономами, квантами электромагнитного поля. Фонон, как и фотон, во многих отношениях ведет себя так, как если он был частицей; поэтому их часто называют квазичастцами. Честъ введения в научку понятия «фонон» принадлежит академике Игорю Евгеньевичу Тамму, который в 1930 году использовал понятие «квант упругости» при рассмотрении вопроса о рассеянии света в кристалках.
11
мин «фонон» в том же году ввел в физический литературу член-корреспондент АН СССР Яков Ильич Френкель. Поведение фононного газа описывает тем же математическим аппаратом, что и изучение абсолотно черного тела. Без понятия фонона трудно было бы представить себе, как любое возбужждение, например колебание отдельного.atoma, перемещается в твердом теле.
В 1931 году Я. И. Френкель теоретически predсказал весма интересное физическое явление. Решая задачу о возбужении.atомов светом в идеальном кристалле, он показал, что возбуженное состояние, которое возникает у какого-либо.atoma такого кристалла после поглощения кванта света, не может быть локализован там, где находится этот.atom, а не претенmeno должно перемещаться по кристаллу в виде свободозначной квазичстицы, которое Френкель называет «экситоном».
Дело в том, что, как показывает расчеты, энергия кристалла не изменится, если в таком же возбуженном состоянии оказывается не перваначальный возбуженный.atom, а любой другой.atом кристалла. Состояния, в которых любой из.atомов кристалла оказывается возбуженным, физически неразличны. Поэтому энергия возбужения будет переходить от.atoma к.atomy до тех пор, пока один из получивших ее.atомов не перейдет в нормальное невозбуженное состояние, испустив полученный им квант. Существование экситонов было в дальнейшем подтверждено в экспериментах член-корреспондента АН СССР Евгения Федоровича Гросса. Теперь существует широкая научная область, которое можно назвать «экситонной физикой».
Для описания электрических и оптических свойств ряда полупроводников и диэлектриков оказалось необходимым ввести еще одну квазичстицу — «полярон». Она возникает вследствие поляризации электроном окружающей среды. В результате
12
нов является следствием стремления кристаллической структуры притини в состояние с минимальной энергейой.
Л. Д. Ландду предсказал теоретически, что свободные электроны (электроны проводимости) в металле должны создавать во внешнем магнитном поле дополнительный магнитный момент, направленный в сторону, противоположную направлению внешнего магнитного поля, то есть диамагнитный момент. Это — так называемый диамагнетизм Ландду.
Мы не оставливаемся здесь на классический работе Л. Д. Ландду по теории сверхтекучести жидкого тела. О ней подробно рассаказано в статье А. Ф. Андреева («Квант», 1973, № 10).
Переход к работам по оптике, остановимся лишь на заменательных исследований академков Дмитрия Сергеевича Рождественского, Леонида Исааковича Мандельштама и Сергей Ивановича Вавилова.
Академик Д. С. Рождественский разработал отчет성ную технологическую приготовления оптического стекла, благодаря чему уже в 1925 году Советский Союз полностью отказылся от покупки такого стекла в других странах. Он внес очень важный вклад в изучение резонансного поглощения света пармишелей металлов и развитие спектрального анализа. Им была существенно усовершенствована теория микросопа.
Физика долго не могла дать правильного ответа на такой, казалось бы, простой вопрос: «А почему небо голубое?» Даже Ньюотон, посвятый этой проблемы много лет упорного труда, так и не сумел ее решить. Первым удовлетворительно теории рассеяния света в атмосфере создают другой англійский физик — Рэлей. Предположив, что свет рассеяющий молекулы воздейства на получил хорошее совпадение с результатами наблюдений.
Казалось бы, все ясно, проблема полностью решена. И только один физик, академик Л. И. Мандельштам, не согласился с этой интерпретацией. Он доказал, что истинной причиной, порождающей голубой цвет неба, является флуктуации плотности (случайные изменения плотности воздуха по отношению к средней плотности), произходящие под влиянием теплового движения. Л. И. Мандельштам показал, что формула Рэлея верна, а физическая существость картины рассеяния света совершенствована она. Эта работа была опубликована еще в 1907 году. Она являсь одной из первых работ по теории флуктуации, то есть микросоппических отклонений той или иной физической величины от среднего значения.
Л. И. Мандельштам был первым физиком, обратным внимание на то, что флуктуации давления, температуры, концентрации или орен-
14
Так как в общих условиях число невозбужdenных молекул значительное больше, чем возбужdenных, интенсивность линей, смесенных в «красную» сторону спектра, должна быть значительное выше, что соответствует действительности.
Продолжая свои исследования, Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг создали новый метод спектрального анализа молекул, основанный на изучении спектров комбинационного рассеяния. Этот метод получил широкое распространение и применяется теперь во всех странах *).
Мы не можем здесь, ввиду их сложности, расскадать оfundamentальных работах академиков Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси по теории и технике колебаний, последивших основой развития радиофизики и радиотехники.
Академик С. И. Вавилов с первых лет научной деятельности заинтересовался явлением фотолиминесценции, изучение которого он не прекрашал до конца своей жизни. Под действием света неокторые вещества сами испускают характерное для них свечение, которое получило название лиминесценции. Это свечение продолжается и после прекрашения облучения. При лиминесценции происходит поглощение возбуждающего света и испускание (с неокторой задержкой по времени) света лиминесценции, для волны которого отлична от длины волны поглощенного света.
Лиминесценция различных веществ чрезвычайно разнообразна по спектральному составу испускаемого излучения. Длительные понски законов, управляющих лиминесценции
*) Только случайная задачка с пересылкой в редакцию журнала уже готовой научной статьи лишила авторов этого крупнейшего открытия Нобельской премии.
Академик С. И. Вавилов (1891—1951).
ей, приведли лишь к установлению некоторых эмпирических правил, которые не охватывают всех основных опытных фактов и допускали значительные исключения. Примером является так называемое правило Стокса, согласно которой длина волны излучения лиминесценции должна быть больше длины волны возбуждающего света. Так как энергия излученных квантов прямо пропорциональна частоте v (и обратно пропорциональна длине волны λ), то увеillance длины волны при лиминесценции свидетельствует о том, что неокторая доля энергии, поглощенной лиминесентным веществом, остается в нем, переходя в телло. Однако это правило нередко нарушается на опите. Подлинные законы спектрального преобразования света были открыты С. И. Вавиловым в результате длиного экспериментального и теоретического исследования энергетики лиминесентных процессов. Они являются теоретической основой не только для научки о лиминесценции, но и для технических приложений.
15
За последние десятилетия люди несуществия широко использование в различных областях науки и техники. На ее основе разработаны новые методы химического и сортового анализа различных веществ — так называемый логистический анализ. В развитии этих практических применений логистический большой залуга приналежит С. И. Вавилову. Но особенно большое значение имеют работы по созданию логистических источников света, открывшие новый этап в истории светотехники.
Основной источник света в наших дни — электронские лампочки накладания — имеет очень большое значение. Козффициент полезного действия этих ламп не превышает 8%. Большое 90% энергии теряется или на создание невидимого инфракрасного излучения. Спектральный составвидимого света у этих ламп значительно отличается от состава солнечного света, к которой наиболее приспособлен человекский глаз. Температура накаала волфрамовой нити в лампе 2200—2300°С. Для получения света, близкого к солнечному, и увеличения светотдачи пришлось бы поднять ее до 6000°С. Однако еще задолго до этого нить лампочки распылиется.
Недостатки электронских ламп накладания позволяют учены искать новые, более экономные и удобные источники света. Таким источками и оказались логистические лампы. Логистические вещества являются световыми трансформаторами. Они могут превращать один вид света в другой, например, невидимыеультрафилотовые, то есть бесполезные в светотехническом отношении, лучи в видимые, или однородный свет — в широкие спектральные полосы самого различного состояния.
С. И. Вавилов первым предложным мощноеультрафилотовое излучение ртутих ламп для получения видимого света с помощью логистических веществ. Идя по этому пути, он создал логистические лампы наивлюдения лампы дневного света.
Основной частью логистических ламп Вавилова является газоразрядная трубка, заполненная парáми рутии при низком давлении. Электронные прохождение трубку при разряде, возбуждают ультрафилотовое излучение ртути. Если наблюдаются разряд через произанные стены трубки, то можно заметить, что внутренность ее светится слабым голубым светом. Основная доля излучения ртути сосредоточена в ультрафилотовой области. Для преобразования ее в видимый свет на внутреннюю стенку трубки наносит слой «светового трансформатора» — кристаллического логистического порошка. Применяя различные порошки, можно получить свет лобого света. Набольший практический интерес представляют порошки, свечее которых близко к дневному рассеянию солнечного света (например, дневному свету при облачном небе). Козффициент полезного действия и средний срок службы лампы значительно больше обычных.
Перейдем теперь к работам в области физики atomного ядра.
Атомные ядра включают в себя заряженные частицы — протоны, сближенные до расстояния порядка 10⁻¹³ см. Казалось бы, они должны немедленно разрушаться под влиянием громадного электростанческого отталкивания протонов друг от друга. Но мы знаем, что этого не происходит. Только очень тяжельые ядра элементов, стоящих в конце периодического системы Менделеева, оказываются неустойчивыми, и это приводит к радиоактивному распаду. Что же придает такое необсячную прочность atomным ядрам? Атомные ядра существенно только потому, что между всеми входящими в них частицами действуют могучея ядры сили.
16
Основная идея, на которую опираются современные представления о природе ядерных сил, была вывинута в 1934 году академик И. Е. Таммом. Он первым понял, что эти силы могут быть только обменными. К этому времени уже были разработаны основные представления о квантовой природе электромагнитного поля, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых этим частицами. Таким образом, взаимодействие есть результат обмена промежуточными частицами, созданнойми электромагнитное поле.
И. Е. Тамм предложил, что не только электромагнитное, но и ядерное взаимодействие носит квантовый характер и осуществляется путем обмена каким-то промежуточными частицами. Предположив, что ядерные частицы обменааются электронами, И. Е. Тамм построил первую математическую теорию ядерных сил. Однако величины этих сил оказались на несколько порядков меньше их действительного значения.
Вскоре после этого японский физик Юкава показал, что если масса обменной частицы будет примерно в 300 раз больше массы электрона, то теория И. Е. Тамма хорошо описывает особенность ядерных сил. Воспследствие физики обнаружили частицы, отвечающие за перенос ядерных сил. Ими оказались так называемые пи-мезоны. Масса пи-мезонов и их свойства соответствуют теории Тамма—Юкавы.
И. Е. Тамм первый приSEL к казалось бы парадоксальному выводу о том, что у нейтрона должен быть собственный магнитный момент, хотя эта часть не имеет электрического заряда. В 1934 году он не только теоретически представал существование магнитного момента у нейтрона, но и правильно определил знак этого момента.
Успех ядерной физики второй половины двацатого века неразрывно сускорителями заряженных частиц. Ускорители позволяют создавать новые элементы частицы, которые рождения в момент взаимодействия ускоренных частиц снарядников с частицами, входящими в состав минщеней. При этом чем выше энергия ускоренных частиц, тем более разнообразные новые элементы частицы и античастицы (меzonны, гипероны, резонансы) могут быть получены с их помощью. Ускорители используют также для изучения строения элементов частицы (протонов и нейтронов). На них же создаются сверхъжелые химические элементы, стоящие после урана в периодической системе Мендлеева (их называют трансурановыми) и атомные ядра с необъчным отношением числа протонов и нейтронов.
В настоящее время наиболее распространены циклические ускорители, в которых заряженные частицы движутся по пути, близким к окружностям, многоократно ускоряясь в специальных ускорительных устройствах. Первым таким ускорительом был циклотрон. Однако предел энергии, которое можно сообщать протонам в циклотроне, сравнительно невелики и составляет несколько десятков миллионов электрон-вольт.
Создание современных ускорителей на десяти и сотни миллиардов электрон-вольт стало возможным благодаря работам академика Владимира Иосифовича Векслара. В 1944 году он предложил значенный прицип «автофазировки» ускоряемых частиц, открывший новые горизонты перед ядерной физикой и физкой элементов частицы. Этот прицип позволяет создать новые типы ускорителей — фазотроны, синхрофазотроны.