100 великих научных достижений России
Шрифт:
Для достижения необходимого диапазона низких температур требовалось большое количество сжиженных газов. С этой целью ученый разработал несколько принципиально новых холодильных машин (например, в 1932 г. ожижитель водорода), самой знаменитой из которых стала установка для адиабатического охлаждения гелия при температуре около 4,3 °К, с небывало высокой производительностью – 2 л жидкого гелия в час (1934). Капице удалось решить сложнейшие технические задачи, связанные не только с производительностью, но и с заменой предварительного охлаждения гелия жидким водородом на охлаждение его в специальном расширительном детандере, с проблемой замерзания смазки движущихся частей при низких температурах – для этого физик использовал сам жидкий гелий. Все изготовляемые ныне ожижители гелия
В СССР Капица продолжил свои исследования с жидким гелием, для чего советское правительство закупило у Резерфорда все необходимое оборудование. Спроектировав несколько установок для сжижения еще и других газов, ученый в 1938 г. создал эффективную турбину, на которой обнаружил необычайное уменьшение вязкости и одновременное увеличение теплопроводности жидкого гелия (гелия-2) при охлаждении до температуры ниже критической – 2,17 °К.
Результаты своих исследований Капица опубликовал в британском журнале «Нейче»; новое явление назвал сверхтекучестью. «При переходе тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникает скачок температуры, получивший название скачка Капицы; величина этого скачка очень резко растет с понижением температуры». Это фундаментальное открытие положило начало развитию нового направления в физике – квантовой физике конденсированного состояния, для чего пришлось ввести новые квантовые представления – т. н. элементарные возбуждения, или квазичастицы.
В 1939 г. ученый построил установку низкого давления для промышленного получения кислорода из воздуха. В ней Капица использовал принципиально новый метод сжижения воздуха с помощью цикла низкого давления, осуществляемого в высокоэффективном радиальном турбодетандере с КПД 80–85 % (сегодня 86–92 %).
С начала 1940-х гг. во всем мире крупные установки разделения воздуха для получения кислорода, азота и инертных газов использовали предложенный русским физиком цикл низкого давления. Надо ли говорить что-либо еще о вкладе ученого в развитие нашей (да и не только нашей) промышленности, если половину получаемого кислорода (а это не менее 100 млрд кубометров в год!) используется в черной и цветной металлургии, не говоря о химической, пищевой промышленности, в медицине, ракетной технике и т. д.
Во время Великой Отечественной войны Капица внедрял в промышленное производство разработанные им кислородные установки. В 1943 г. ученый запустил в Институте физических проблем опытный завод. Тогда же он был назначен начальником Главного управления кислородной промышленности при СНК СССР (Главкислород).
За эту работу и за открытие сверхтекучести гелия физику были присуждены две Сталинские премии I степени. В 1978 г. Капица стал лауреатом Нобелевской премии по физике за «фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур» (совместно с А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном).
«Петр Леонидович принадлежит к числу самых ярких людей, оказавших влияние на глубинное развитие советской физики. Это влияние нашло отражение не только в полученных научных результатах, но и в создании духа объективного познания истины. Жаль, что такие люди появляются редко» (Академик Ю.А. Осипьян).
ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА – ЧЕРЕНКОВА
Физики, доктора физико-математических наук, профессора, академики АН СССР, руководители научных коллективов, лауреаты Сталинских (Государственных) премий, кавалеры высших наград страны, в том числе орденов Ленина и Трудового Красного Знамени, Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) и Павел Алексеевич Черенков (1904–1990) являются авторами открытия эффекта Вавилова – Черенкова (1934), а Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) и Илья Михайлович Франк (1908–1990) – авторами теории, описавшей данный эффект (1937). За открытие и объяснение этого явления все четверо ученых были удостоены в 1946 г. Сталинской премии I степени, а в 1958 г. П.А. Черенков, И.Е. Тамм и И.М. Франк получили Нобелевскую премию по физике.
Эффект Вавилова – Черенкова был обнаружен случайно, хотя открытие оказалось закономерным развитием работ академика С.И. Вавилова
П.А. Черенков
Занимаясь исследованиями люминесценции растворов ураниловых солей при облучении их гамма-квантами от радиоактивного радиевого источника, аспирант обратил внимание на голубоватое свечение стеклянного стаканчика с серной кислотой. Заменив кислоту другими прозрачными жидкостями, ученый столкнулся с необъяснимым эффектом – самые разные жидкости светились с равной интенсивностью, что указывало на что угодно, только не на люминесценцию. Это непрошеное свечение весьма отвлекало аспиранта от главного предмета его исследований. Черенков удалял примеси – скрытые источники флуоресценции, уменьшал яркость флуоресценции нагреванием и добавлением йодистого калия, нитрата серебра, но голубое свечение оставалось неизменным. К тому же физик обнаружил, что свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей, как должно было быть при флуоресценции.
Аспирант продемонстрировал обнаруженный им эффект своему руководителю. Вавилов – крупнейший в мире специалист по люминесценции заинтересовался этим явлением. Было известно, что оно уже отмечалось другими физиками, в частности Марией и Пьером Кюри, посчитавшими свечение проявлением люминесценции.
Убедившись, что яркость свечения действительно практически не зависит от химического состава жидкости (двойного дистиллята или раствора), и что по измеренным Черенковым характеристикам оно не имеет никакого отношения к люминесценции, Вавилов предположил, что свет излучают быстрые электроны, образующиеся в растворе под действием гамма-лучей. При этом излучение возникает практически мгновенно с началом движения и исчезает сразу же после прохождения электрона. Дав первое теоретическое объяснение открытого его учеником эффекта, академик инициировал продолжение работ в этом направлении.
Надо сказать, что в то время (начало 1930-х гг.) самым надежным оптическим прибором, фиксировавшим все нюансы свечения, был человеческий глаз. Да и вообще все физические опыты за неимением адекватной приборной базы были предельно просты. «В большей части экспериментов применялся разработанный Вавиловым с учениками метод использования человеческого глаза для количественных измерений световых потоков по порогу зрения» (Б.Б. Говорков).
По воспоминаниям Е.П. Черенковой, дочери Павла Алексеевича, отец часами сидел в подвале, привыкая к темноте и приучая свои глаза к отлову фотонов, после чего приступал к экспериментам. Говорят, Черенков умудрялся замечать даже одну частицу света!
Результаты наблюдений Черенков изложил в статье, опубликованной в 1934 г. в «Докладах Академии наук», – «Видимое свечение чистых жидкостей под действием γ-радиации», там же была помещена и теоретическая работа С.И. Вавилова – «О возможных причинах синего γ-свечения жидкостей». Через некоторое время черенковскую статью поместили в журнале «The Physical Review» (США).
Как директор ФИАНа (Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР), Вавилов предложил своим сотрудникам И.М. Франку и И.Е. Тамму заняться теоретическими аспектами «таинственного излучения» и порекомендовал им соответствующую литературу.
За несколько лет экспериментов Черенков накопил достаточно результатов, чтобы их можно было заключить в русло некоей теории. Франк и Тамм на основе классической электродинамики создали теорию излучения, главным пунктом которой было предположение, что быстрые электроны летят равномерно и прямолинейно со скоростью, превышающей скорость света в данной среде, и при этом испускают электромагнитные волны. (Как известно, в воде или в стекле скорость света существенно уменьшается из-за столкновения фотонов с атомами вещества.) Теория базировалась на т. н. эффекте Комптона, когда при гамма-облучении из атомов среды вылетают электроны, поглотившие гамма-кванты.