Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

Но лишь в конце 40-х годов экспериментаторы начали «догонять» теоретиков. Многие из них внесли большой вклад в развитие электроники и ее замечательного творения — квантовых генераторов, более известных под звучными названиями «мазер» и «лазер». Слава первооткрывателей в этой области принадлежит двум советским ученым Александру Михайловичу Прохорову и Николаю Геннадиевичу Басову, а также американскому физику Чарлзу Харту Таунсу. В 1954 г. почти одновременно в Физическом институте Академии наук (СССР) и в Колумбийском университете (США) эти ученые создали первые квантовые генераторы.

В качестве рабочего вещества использовался аммиак. Молекулы аммиака приводились в возбужденное состояние, после чего создавались условия для их одновременного возвращения на исходный уровень, в результате чего излучался мощный радиоимпульс. Чарлз Таунс назвал этот аппарат Maser (мазер) — аббревиатура английского выражения Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн при помощи индуцированного излучения).

Благодаря своей способности усиливать радиоволны мазеры сразу же нашли применение в радиотелескопах. Период 1954—1960 гг. ознаменовался бурным развитием квантовой радиофизики, когда были созданы разнообразные конструкции квантовых генераторов и разработана их теория. Большую роль в этом развитии сыграли работы французского физика Альфреда Кастлера.

В 1949 г., занимаясь радиоспектроскопией, Кастлер установил, что атомы особенно сильно поглощают свет в том случае, когда их собственные частоты попадают в резонанс с частотой возбуждающего излучения. Кастлер использовал этот эффект в своих исследованиях и, постепенно развивая идею, разработал в 1952 г. метод оптической накачки. Для квантовых генераторов это означает, что атомы рабочего тела приводятся в возбужденное состояние внешним источником светового или микроволнового излучения.

В 1958 г. Чарлз Таунс и Артур Шавлов из фирмы «Белл телефон лабораторис» предложили принцип лазера. Изменение первой буквы указывает на то, что здесь речь идет уже об усилении света при помощи индуцированного излучения (Lazer — аббревиатура от английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Шавлов предложил использовать для этой цели рубиновые кристаллы цилиндрической формы. В рубине (который представляет собой окись алюминия) имеются микроскопические вкрапления хрома, атомы которого излучают свет.

Рубиновый лазер был создан в 1960 г. американским физиком Теодором Меймзном. В этом приборе рубиновый стержень в течение короткого времени освещался мощным импульсом света. Атомы хрома в кристалле переходили в возбужденное состояние, а затем почти мгновенно возвращались на исходный уровень, испуская кванты света. С двух концов кристалла были помещены два плоских зеркала, причем одно из них — полупрозрачное. Отражаясь поочередно от этих зеркал, световые лучи опять попадают в кристалл, возбуждая новые атомы. Процесс нарастает лавинообразно до тех пор, пока наконец световой импульс не станет настолько мощным, что может пройти через полупрозрачное зеркало.

В этой схеме рубиновый кристалл может быть заменен другим твердым телом, содержащим подходящие для излучения атомы. Такие атомы могут быть рассеяны и в газовой среде. Еще в 1960 г. Али Джаваи, американский физик иранского происхождения, создал первый газовый лазер. Впоследствии появились жидкостные лазеры на основе неорганических соединений, а в 1966 г. были созданы первые жидкостные лазеры с органическими красителями, которые благодаря своей низкой стоимости получили широкое распространение.

За три десятилетия с момента создания квантовых генераторов они нашли широкое применение в самых различных сферах человеческой деятельности. Мазеры используются в качестве усилителей в радиотехнике. Лазеры проникают в промышленность, где их огромное по мощности излучение используется в различных технологических операциях. Физики пытаются осуществить с помощью лазерного луча термоядерную реакцию, а геодезисты измеряют расстояние до Луны с точностью до сантиметра. Тонкий лазерный луч играет роль скальпеля при тончайших хирургических операциях. Мы уже говорили о голографии, которая начала по-настоящему развиваться лишь с применением лазеров — мощных источников монохроматического и узконаправленного излучения.

Квантовые генераторы оказались одним из замечательных открытий нашего века. Важность их разработки была оценена Нобелевским комитетом по физике, который присудил в 1964 г. Нобелевскую премию А.М. Прохорову, Н.Г. Басову и Чарлзу Таунсу.

Труды французского исследователя Альфреда Кастлера в значительной степени подготовили почву для создания лазеров. Два года спустя признание пришло и к нему: в 1966 г. Кастлер стал лауреатом Нобелевской премии по физике.

В руках физиков лазер превратился в тонкий исследовательский инструмент. Его мощное монохроматическое излучение открыло новые возможности для спектроскопических исследований электронной оболочки атомов и молекул. Особенно интенсивно стали развиваться исследования в этой области после 1970 г., когда появились лазеры с меняющейся частотой излучения.

В результате стало возможным плавно регулировать длину волны излучения таким образом, чтобы энергия фотонов точно соответствовала частоте перехода между двумя энергетическими уровнями в атоме. Основы этой новой области — нелинейной лазерной спектроскопии — были заложены Николасом Бломбергеном из Гарвардского университета и независимо Артуром Шавловым из Станфордского университета. Большой вклад внесли также советские ученые С. Ахманов и Р. Хохлов.

Получив бурное развитие в 70-е годы, лазерная спектроскопия теперь стала исключительно точным методом исследования, позволяющим регистрировать даже отдельные атомы. На ее основе были разработаны методы стабилизации частоты газовых лазеров, излучение которых используется в качестве эталона длины и времени. Лазерный луч «зондирует» различные среды и позволяет делать экспресс-анализ их состава. С его помощью получают температуру в миллионы градусов и производят спектроскопию высокоионизированных атомов.

Нелинейная лазерная спектроскопия — один из самых совершенных методов исследования в современной экспериментальной физике. Николас Бломберген и Артур Шавлов, два исследователя, внесшие большой вклад в развитие этой области, получили в 1981 г. Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Каем Сигбаном, одним из создателей метода рентгеновской спектроскопии.

Эффект Мёссбауэра

Еще в начале 30-х годов, после того как была открыта электромагнитная природа гамма-излучения, ученые заинтересовались вопросом резонансного поглощения гамма-квантов атомными ядрами и возможности наблюдения этого эффекта. Поскольку резонансное (избирательное) поглощение происходит только на определенных частотах, соответствующих энергиям квантовых переходов ядер в возбужденное состояние, наблюдение этого явления могло бы дать ученым тонкий инструмент для исследования атомных ядер. Однако поначалу все попытки исследовать это явление кончались неудачей.

Тогда за дело взялись теоретики. Выяснилось, что причина этого кроется в следующем. Известно, что гамма-квант обладает определенным импульсом, который (в соответствии с законом сохранения импульса) он при поглощении передает ядру; последнее испытывает отдачу — приобретая энергию, оно отскакивает в обратном направлении. Такая же энергия отбирается у ядра при испускании гамма-кванта. При этом линии испускания и поглощения оказываются смещенными друг относительно друга на величину, значительно превышающую ширину линии гамма-излучения.

Установив причину всех неудач, исследователи начали предпринимать попытки преодолеть возникающие трудности каким-то искусственным путем. Однако более эффективный метод наблюдения резонансного поглощения гамма-квантов был предложен позднее.

В 1955 г. в Институт им. Макса Планка (Гейдельберг, ФРГ) поступил в аспирантуру молодой физик Рудольф Людвиг Мёссбауэр. Тема его диссертации — как, впрочем, и большинства диссертаций — была весьма тривиальна: «Исследование резонансного поглощения гамма-квантов», т. е. задачей соискателя было более подробно разобраться в чем-то, в принципе уже известном. Успешная разработка, темы сулила Мёссбауэру степень доктора философии. Случилось, однако, нечто большее — диссертация принесла аспиранту Нобелевскую премию.

По плану, намеченному руководителем лаборатории, сначала предполагалось применить уже известный метод наблюдения резонанса путем сильного нагрева излучающего вещества и вещества-приемника. Однако у аспиранта были свои идеи, и он, несмотря на риск провала диссертации и предупреждения со стороны руководителя, пошел по другому пути.