50 лет советской физики - Владимир Лешковцев

В 1923 г. советский физик Я. Г. Дорфман, анализируя работы В. К. Аркадьева, предсказал возможность существования магнитного резонанса — избирательного поглощения коротковолновых радиоволн в веществе.

Первым, кто открыл парамагнитный резонанс, был академик Евгений Константинович Завойский. Это открытие принадлежит к числу крупнейших достижений атомной физики.

В парамагнитном — веществе атомы обладают неспаренными электронными спинами или некомпенсированными орбитальными магнитными моментами, поэтому суммарный магнитный момент таких атомов не равен нулю. Иными словаки, грубо говоря, атомы парамагнитных веществ являются маленькими магнитиками. Если такое вещество поместить в сильное постоянное магнитное поле, то под его влиянием элементарные атомные магнитики, первоначально расположенные как угодно, будут ориентироваться по направлению приложенного к ним поля. Но непрерывное движение электронов делает атом как бы волчком, поэтому магнитный момент каждого атома будет подобно оси волчка совершать прецессию вокруг направления силовых линий постоянного магнитного поля. Это известная из курса атомной физики Ларморовская прецессия. Если теперь включить второе магнитное поле — слабое переменное (или вращающееся) магнитное поле, перпендикулярное постоянному полю, то на каждый атомный магнитик будет действовать вторая сила, стремящаяся повернуть атомные магнитики и расположить их параллельно плоскости вращения переменного поля. Если частота переменного поля не будет совпадать с частотой собственного вращения атомного магнитного момента вокруг силовых линий постоянного поля, то вызываемые переменным полем отклонения будут в разные моменты времени взаимнопротивоположными, так что в среднем влияние этого поля будет равно нулю.

Совершенно иная картина возникает тогда, когда обе частоты совпадают. При этом атомный магнитик все время будет отклоняться в направлении плоскости вращения переменного поля, удаляясь от положения устойчивого равновесия и увеличивая энергию атома. Эту дополнительную энергию атомы заимствуют у переменного магнитного поля.

Так как атомы парамагнитного вещества постоянно взаимодействуют друг с другом, энергия, приобретенная одним из них, быстро передается соседним атомам и идет на увеличение энергий теплового движения, нагревая парамагнитик.

С квантовой точки зрения парамагнитный резонанс объясняется возникновением квантовых переходов в атомах под влиянием переменного магнитного поля. Такие переходы возможны лишь при условии, что энергия квантов электромагнитного поля совпадает с разностью энергий двух магнитных состояний атома. При напряженности постоянного поля порядка 10 000 эрстед резонанс наблюдается на электромагнитных волнах сантиметрового диапазона, применяемых обычно в радиолокационных устройствах.

В опытах академика Е. К. Завойского частота переменного магнитного поля оставалась неизменной (она задавалась генератором). Изменялась же напряженность постоянного магнитного поля. Так как (постоянное поле создавалось электромагнитом, эти изменения легко осуществлялись при помощи реостата. Меняя величину напряженности постоянного поля, мы автоматически изменяем частоту обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий этого поля. В момент совпадения обоих частот возникает резонансное поглощение, регистрируемое осциллографом или гальванометром.

Частота обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий постоянного поля зависит также и от природы атома. Кроме того, точно такой же эффект наблюдается и в молекулах. Это позволяет воспользоваться методом парамагнитного резонанса для исследования структуры и химического состава различных веществ.

Парамагнитный резонанс обладает необычайной чувствительностью, позволяя регистрировать уровни энергии, совершенно недоступные для оптических методов. Так как обычно химические активные центры (радикалы), активизирующие течение многих реакций, имеют собственные магнитные моменты, парамагнитный резонанс позволяет легко обнаруживать возникновение радикалов в ходе сложных химических реакций и определять их природу. В последние годы парамагнитный резонанс все шире применяется в биологии для анализа тонких деталей биохимических реакций, протекающих в живых организмах.

Академик Е. К. Завойский открыл также и аналогичное по природе явление ферромагнитного резонанса, теория которого еще в 1935 г. была развита академиком Л. Д. Ландау и членом-корреспондентом АН СССР Е. М. Лифшицем.

ИСКУССТВЕННЫЕ АЛМАЗЫ

Алмаз — редкий и драгоценный минерал. Сколько легенд и загубленных человеческих жизней связано с историей крупных алмазов! Достаточно напомнить, что в 1829 г., после жестокого убийства А. С. Грибоедова в Персии, персидский принц Хосров-Мирза направил русскому царю крупный алмаз «Шах», цена которого, по мнению принца, окупала смерть выдающегося русского писателя и дипломата. Но алмазы нужны не только ювелирам и царям. С каждым годом растет на них промышленный спрос. Около 85 % мировой добычи природных алмазов используется сейчас для различных технических нужд. Алмазные резцы и пилы, буры и шлифовальные круги не имеют равных себе конкурентов.

Советский Союз долгое время не располагал отечественными алмазами и вынужден был ввозить их из-за рубежа. В 1954 г. советские геологи нашли в Якутии первое коренное месторождение природных алмазов — кимберлитовую трубку «Зарница». А к концу 1955 г. было обнаружено около десяти месторождений алмазов, пригодных для промышленной разработки. Однако потребность в алмазах растет год за годом и это делало весьма важной задачу создания искусственных алмазов.

Еще перед второй мировой войной советский физико-химик О. И. Лейпунский рассчитал фазовую диаграмму системы графит — алмаз и показал, что при давлении порядка 60 000 атмосфер и температуре выше 2000° кристаллическая решетка графита может путем уплотнения и сближения атомов перейти в решетку алмаза.

В одной из своих статей О. И. Лейпунский писал в 1946 г.: «Во-первых, надо нагреть графит не меньше, чем до 2000°, чтобы атомы углерода могли переходить с места на место. Во-вторых, его надо при этом сжать чудовищным давлением, не меньшим, чем в 60 000 атмосфер. Тогда он обязательно перейдет в алмаз, подобно тому, как камень, подброшенный рукой, обязательно поднимется с земли в воздух».

Однако практическая реализация этой программы оказалась весьма трудным и небезопасным делом. В Советском Союзе эту проблему успешно решили ученые Института физики высоких давлений АН СССР под руководством академика Леонида Федоровича Верещагина. Они разработали специальные «алмазные» прессы и методы контроля основных физических параметров в камерах, где протекает синтез алмазов.

Первые советские искусственные алмазы имеют размеры порядка 1 мм. Они оказались тверже природных алмазов и с успехом применяются в промышленности. Их используют для обработки сверхтвердых сплавов и для изготовления самых долговечных инструментов, с их помощью режут полупроводниковые материалы, трудно поддающиеся обычным методам обработки. С помощью алмазных пил можно легко получать облицовочные плитки из гранита и мрамора, по толщине и стоимости близкие к керамическим плиткам.

В 1966 г. академик Л. Ф. Верещагин получил искусственные алмазы размером 3–4 мм, пригодные для работы в буровых инструментах. Одновременно был синтезирован еще один сверхтвердый материал — кубический нитрид бора (боразон). По своей твердости он несколько уступает алмазу, но зато является более устойчивым к влиянию высоких температур. Это делает боразон весьма ценным в техническом отношении материалом.

СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ

Советские физики сделали весьма крупный вклад в изучение физики низких температур.

Академик П. Л. Капица создал новый тип машин для производства жидкого воздуха — турбодетандеры, работающие при низких давлениях. Эти машины получили в дальнейшем весьма широкое распространение.

Академик Л. Д. Ландау разработал теорию перехода металлов в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит не мгновенно, а через так называемое промежуточное состояние, являющееся своеобразной смесью сверхпроводящих и несверхпроводящих слоев. Наличие таких слоев в металле в условиях переходного состояния было подтверждено членом-корреспондентом АН СССР А. И. Шальниковым в исключительно тонких экспериментах.

В 1957 г. академик Н. Н. Боголюбов разработал (одновременно с американскими физиками Бардиным, Купером и Щрифером) теорию сверхпроводимости.

Развитая академиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом и членами-корреспондентами АН СССР А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым теория сверхпроводящих сплавов (так называемый «метод ГЛАГ») открывает путь к получению сверхпроводников, пригодных для различных практических применений.