И. В. Курчатов: первые шаги в ЛФТИ

3

И. В. Курчатов: первыше шаги в ЛФТИ

Доктор физико-математических наук
А. Н. ЗАЙДЕЛЬ,
доктор физико-математических наук
В. Я. ФРЕНКЕЛЬ

Когда, ознакомившись с биографией выдающегося советского ученого и организатора науки Игоря Васильевича Курчатова (1903—1960), задаешься вопросом: каким емким словом определять его индиvidualность? — самым подходящим представляется: стремительное вхождение в новую, независимо ему область науки — это характерно и для зрелого, и для современного Курчатова. В 1923 году он окончил Симферопольский университет и в том же году, менее чем за пять месяцев, выполнил исследование радиоактивности снега, овладев и тонкой экспериментальной технической измерений радиоактивности, и комплектом геофизических сведений, необходимых для проведения и осмысления этой работы, ставшей предметом его первой научной публикации.

Проходит полгода, Курчатов оказавется на meteorологической станции в Федосии, где изучает физику моря. Четыре месяца потребовалось молодому человеку (ему едва исполнился 21 год), чтобы проводсти сложное исследование колбаний уровня Азовского и Черного морей. Эти работы уже в начале 30-х годов, когда имя Курчатова было известно сравнительно узkomу кругу коллег, вошли в классические труды по физике моря.

1 октября 1925 года. В архиве Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР (ФТИ) сохранилась датированная этим числом запись: Игорь Васильевич Курчатов (заметим: успевший к этому времени выполнить и опубликовать пять научных работ) зачисляется в Институт в качестве сотрудника I разряда (это значение примерно соответствовать теоретической должности старшего научного сотрудника). А 16 ноября этого же года Курчатов вместе с К. Д. Синельниковым (1901—1966), с которым они учились в Симферопольском университете, датируют окончание первого «К вопросу о прохождения электринов через тонкие металлические фолги». Работа сразу же переводится на английский язык, и оба ее варианта — русский и английский — направляются в печать: в «Труды Ленинградской физико-технической лаборатории» и в американский журнал «Physical Review» («Физическое обозрение»). Обе статьи увидели свет в следующем, 1926 году — 60 лет тому назад.

Исследование, предприятное молодыми учеными из ФТИ, имело как чисто научный, так и прикладной интерес. Выяснение степени проницаемости тонких фолг для электринов могло способствовать усвоению трудок Брауна — так в то время называли осциллографы. Чувствительность люминофоров, которые покрывался экран трубки Брауна, была недостаточной для успешного фотографирования крыых, вычерчиваемых электриным лучом. Поэтому фотопластикку или фотопленку помещали внутри откачанной трубки, причем ее перемещение осуществлялось довольно сложно, с помощью специального приспособления (так называемого вакуумного шлюза). Возникла мысль: вывести электриный луч через закрытый тонкий металлический фолгой торец трубки прямо наружу, вне вакуумного объема, и там помещить фотопластику. Для этого надо было выяснить, насолько проницаемым после английский вариант с малоэнергичных электронов металлических фолги. К этому вопросу имела отношение работы американского ученого Г. Гарттага, опубликованная в 1925 году на страницах «Physical Review» (вот почему физических социал необходимым послать английский вариант с малоэнергичных электронов металлических фолги). Из результатов, полученных Гарттиром, следовало что электроны,ускоренные даже в небольших полях порядка нескольких волт, пространвали насвободы алюминевые фолги толщиной до 10 мкм. Это казалось страным.

Курчатов и Синельников решили проверить работу Гарттага. Они повторили его эксперимент на аналогичной установке: на пути электринов, вылетающих с катода, помещалась фольга; если электроны «пробивают» фольгу, то они попадают на анод, в цепи повяляется ток. Результаты, полученные физическими, казалось бы, подтвердили выводы Гарттага. Но затем они решили проверить: не являются ли

4

Эти результаты следует следствием несовершенства фольг — начиным в них невидимых ответствий. (Гартиг убеждался в совершенстве своих фольг, просматривая их на просвет.) С помощью несложной установки ленинградцы обнаружили, что в бездефектных «на глаз» фольгах на самом деле могут быть ответствия. Существование таких ответств был доказано путем наблюдения в жидкостях пузырьков, образующихся при продукции сквозь фольгу воздуха. Этот простой опыт являлся решающим доказательством ошибочности результатов Гартинга. Схема опыта, поставленного ленинградскими авторами, показана на рисунке. Применяя обрабатные с помощью такой установки бездефектные фольги, Картатов и Синельников убедились, что медленные электроны не пробивали фольгу-мишень; сделав же в бездефектной фольге небольшие ответствия, физически воспроизвели результаты Гартинга.

Очевидно, что американский физик «проезвал» дефектность использанных в его экспериментах фольг. Нам не известны точные условия опыта, в котором он просматривал их на просвет, но некоторыеверятные предположения о них можно сделать и попытаться оценить размеры ответствия, которое Гартиг мог увидеть.

Возможность увидеть простой церезmalое ответствие, определяется величины той световой энергии, которая, проядет в зрачок. Сделав естественные предположения о силе света источника, освещающего ответствие, и зная пороговую цветвительность глаза, оценим размеры ответствия, которое еще можно увидеть.

Экспериментально установлено, что в условиях непрерывного освещения величины энергетического потока, соответствующего критическому порогу хорошего адпитированного (привыкшего к темноте) глазза, составляет примерно 5·10⁻¹⁷ Дж/c. Электрическая лампачка преобразует в световой энергию, воспринимаемую глазом, примерно 2% подводимой к ней электрозернии. Следовательно, лампа мощностью 40 Вт — именно такие были наиболее распространенными в середине 20-х годов — излучает ежесекундно 0,8 Дж световой энергии. Полягая, что эта энергия равномерно излучается во все стороны, подсчитает ту ее часть, которая проходит через ответствие в экране (диаметр ответствия d), находящемся на расстоянии l от лампачки. Площадь такого ответствия π²/4, а телесный угол, выделяемый им из сферы радиуса l, составляет π²/4l². Отсюда для потока световой энергии, проедущего через ответствие, получим величины

$$\Phi_d = \frac{0,8}{4\pi} \frac{\pi d^2}{4l^2} = 5 \cdot 10^{-2} \frac{d^2}{l^2} \text{ Вт.}$$

Полягая l=0,1 м, имеем:

$$\Phi_d = 5d^2 \text{ Вт},$$

где d выражено в метрах. Можно считать, что ответствие очень малого диаметра в экране (исследуемый на просвет фольге) излучает равномерно в пределах полусферы, то есть телесного угла 2π (это проискит вседствие

5

дифракции). Тогда на расстоянии наилучшего зрения $r=0,25$ м на зрачок диаметром $d_{3p}$ придется поток энергии

$$\Phi_{3p} = \frac{\Phi_d}{2\pi} \frac{\pi d_{3p}^2}{4r^2} = 0,625 \frac{d_{3p}^2}{r^2} d^2 \text{ Вт.}$$

Приимая диаметр зрача адпитированного глаза равным 0,005 м, для попадаюшей в него мощности находится:

$$\Phi_{3p} = 0,625 \frac{25 \cdot 10^{-6}}{0,625 \cdot 10^{-1}} d^2 = 2,5 \cdot 10^{-4} d^2 \text{ Вт.}$$

Приравнивая ее к пороговой мощности $5 \cdot 10^{-17}$ Вт, получим соответствие для определения $d: 2,5 \cdot 10^{-4} d^2 = 5 \cdot 10^{-17}$, откуда $d \approx 0,5 \cdot 10^{-6}$ м = 0,5 мкм.

Итак, предельный размер ответствия, которое можно заметить на просвет, — 0,5 мкм.

Интересно подсчитать давление, которое обеспечило бы «проталкивание» (выдувание) воздействие в фольге, то есть давало бы картину пузырьков в сосуде, наблюдащих Курчатовым и Синельниковым (см. рисок).

Известно, что поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой пленке (обладает поверхностью натяжением). Поэтому, чтобы выдать, например, мыльный пузырь, в нем надо создать избыточное давление, определяемое формулой Лапласа:

$$\Delta p = \frac{2\sigma'}{R},$$

где $\sigma' = 2\sigma$ — удвоенный коэффициент поверхностного натяжения жидкости (у пленки две поверхности), $R$ — радиус пузыря. Если помещить трубку в жидкость на глубину $h$, то чтобы выдуть с ее помощью воздействий пузырь, надо создать в нем давление, превышающее атмосферное на величины, равную сумме лапласовского давления $\Delta p$ и гидростатического давления $\rho gh$. Размер пузырьков — порядка диаметра пузки, и если он мал, то лапласовское давление значительное больше гидростатического, которое в этом случае можно пренебречь. Считая пузырь получеферой, избitable давление можно тогда найти по формуле

$$\Delta p = \frac{2\sigma}{R} = \frac{4\sigma}{d} \quad (*)$$

(у воздушного пузырька в жидкости одна поверхность). Такой же формулой можно воспользоваться, чтобы оценить избыточное давление, которое нужно создать у поверхности фольги, погруженной в воду, чтобы продукт сквозь поверхность в ней воздействие, ясно, что это давление будет тем меньше, чем меньше поверхность натяжения жидкости.

(Окончание см. на с. 50).