Кванты и музы

И где-то, на какой-то частоте — специфической для данного вещества — должен возникнуть особый эффект: пик поглощения, резонанс, таинственное явление, которое обещало пролить свет на многие непонятные стороны поведения веществ. Во многих веществах следовало ожидать появления нескольких резонансных пиков, характерных именно для них.

Теория подсказывала, что многообещающими должны быть исследования кристаллов, особенно в том случае, когда во время облучения радиоволной они находятся в поле сильного магнита. Наиболее интересными казались исследования именно тех кристаллов, магнитные свойства которых изучал Гортер и его ученики.

Какие же явления происходят при этом в недрах кристаллов? Некоторые атомы, входящие в кристаллы, ведут себя как маленькие магнитики, стремящиеся, подобно стрелке компаса, повернуться в направлении внешнего магнитного поля. Но хаотическое тепловое движение не даёт им послушно следовать велению магнитного поля. Ведь случайные толчки мешают и стрелке компаса правильно указывать на север.

Ещё сильнее, чем случайные толчки, на крошки-магни тики могут действовать толчки регулярные, особенно если они попадут в резонанс с их колебаниями. Кому неизвестна катастрофа, вызванная тем, что шаги отряда солдат попали в резонанс с колебаниями моста и разрушили его! Вспоминаются и случаи, при которых вибрации двигателей вызывали разрушения морских судов и самолётов. Резонанс, столь приятный в музыке, может оказаться весьма опасным в одних случаях и очень полезным в других, если суметь им разумно воспользоваться.

Читатель, наверное, уже догадался, что такие толчки в кристаллах могут создаваться радиоволнами. Тогда-то и происходит то внезапное, бурное поглощение энергии радиоволн атомами вещества, которое и названо резонансным поглощением.

Теоретики были убеждены, что, изменяя настройку генератора радиоволн, можно легко обнаружить эти резонансы.

Что могло быть проще — вращай ручку настройки лампового генератора и наблюдай!

Дело было за экспериментаторами.

И не только Гортер, многие экспериментаторы пытались обнаружить эти загадочные резонансы, но тщетно. Никто не понимал, в чём была причина неудач… Гортер подошёл почти вплотную к открытию, но… прошёл мимо, хотя шёл к нему тем путём, что и советский учёный Евгений Завойский.

Обратимся теперь к научным событиям, происходившим в первой половине 30-х годов XX в. в Казани. Этот древний город с устоявшимися культурными традициями славится своим университетом.

В нём учился великий Ленин. В его стенах работали замечательные математики, в том числе один из создателей неевклидовой геометрии Лобачевский, один из крупнейших химиков прошлого Бутлеров и наши современники, замечательные химики — отец и сын Арбузовы.

Победное окончание Великой Отечественной войны совпало с одним из величайших достижений современной физики, незадолго до этого ещё раз прославившим Казанский университет.

Евгений Константинович Завойский со студенческих лет вынашивал идею об использовании электромагнитных волн для изучения строения и свойств веществ. Его, как и Лоренца, завораживали тайны, скрытые в оптических спектрах атомов.

Сочетание этих линий, их расположение в спектрах, появление и исчезновение стали предметом раздумий Завойского.

Ещё в предвоенные годы стало ясно, что исследование спектров не должно ограничиваться оптической областью. Многое могли бы поведать спектры в радиодиапазоне. Но лишь прогресс в радиотехнике дециметрового и сантиметрового диапазона, связанный с созданием радиолокации, открыл возможности для успешных спектроскопических исследований в этом диапазоне. Рождалась радиоспектроскопия.

Зарубежные учёные использовали новые возможности для исследования газов. Теория предсказывала, а опыт раз за разом подтверждал, что именно в газах можно наблюдать возникновение резонансов при поглощении радиоволн. Расшифровка этих резонансов позволяла узнавать всё новые детали строения молекул. И эта область экспериментальной работы привлекала всё большее число исследователей.

Теоретики, пролагая путь экспериментаторам, ставили всё более интересные задачи в радиоспектроскопии газов. Многие из учёных обращались к загадке неуловимых резонансов в магнитных кристаллах. Проблемы, возникавшие здесь, были нелёгкими. Но недаром физики шутят: был бы факт, а теория найдётся. Появились расчёты, показывающие, что резонансы, которые искал Гортер и его последователи, вообще не должны наблюдаться.

Большинство физиков, занимавшихся радиоспектро скопией, спокойно восприняли эти результаты. Учёные, работавшие в других областях, просто не обратили на них внимания. Завойский же, глубоко обдумывавший сущность процессов взаимодействия радиоволн с веществом, не мог согласиться с подобными выводами.

Он восстал против авторитета теоретиков. Он понял, что неудачи попыток Гортера и других исследователей могут объясняться тем, что расчёты, на основе которых велись эксперименты, не опирались на правильные опытные данные. В эти расчёты помимо универсальных констант, таких, как постоянная Планка и некоторые другие, входили величины, ранее полученные из опытов, основанных на применении постоянного магнитного поля.

Постоянное магнитное поле! А если?..

Говорят, что не меньше, чем открытием Америки, Колумб прославился решением знаменитой задачи о крутом яйце. Чтобы поставить его вертикально, он просто надбил его. Как «немного» нужно, чтобы стать знаменитым!

Теперь нам кажется, что Завойский сделал очень небольшой шаг. Но этот шаг шёл в сторону от проторенной дороги. И он привёл молодого физика к успеху.

«Почему все изменяли настройку генератора радиоволн, оставляя магнитное поле неизменным? — недоумевал Завойский. — Такова традиция… Но есть ведь и другой путь. Пусть им ещё никто не шёл. Здесь есть свои трудности, но нет никаких разумных запретов». И Завойский решился. Вместо того чтобы вращать ручку своего генератора, перестраивая его частоту, как это делали исследователи до него, он оставил генератор в покое. Решил искать резонанс, меняя величину магнитного поля того магнита, между полюсами которого располагался кристалл. Для этого он плавно изменял величину электрического тока, протекающего по обмотке электромагнита, и непрерывно наблюдал, как радиоволны поглощаются веществом.

Так, в 1944 году был впервые обнаружен замечательный эффект, долго ускользавший от самых опытных экспери ментаторов, носящий несколько непонятное для непосвящённых наименование — электронный парамагнитный резонанс. Теперь мы с уверенностью относим открытие Завойского не только к самым замечательным, но и к самым плодотворным открытиям XX века.

Завойский обнаружил механизм, приводящий к поглощению радиоволн в кристаллах. Выяснилось, что этим механизмом управляли электроны — те самые электроны, что входят в состав некоторых ионов, образующих кристалл. Электроны оказались миниатюрными приёмниками радиоволн!

Перед экспериментаторами раскрылись необычайные потенциальные возможности использования этого тонкого, гибкого, легко управляемого механизма для создания принципиально нового вида радиоприёмников. Ведь эти электроны связаны электрическими силами с атомными ядрами, а через них с самим кристаллом. Следовательно, настройка этих приёмников зависит как от строения кристалла, так и от входящих в него ионов. Изменяя структуру кристалла и вводя те или иные ионы в виде добавок, можно влиять на настройку этого удивительного радиоприёмника!

Так родилась фантастическая идея радиоприёмника, радикально отличающегося от всего известного ранее. В таком приёмнике деталями служат не радиолампы, а электроны — ещё более мелкие кирпичики материи, ещё более удивительные «радисты», чем атомы и молекулы аммиака, прирученные позже Басовым и Прохоровым.

Открытие Завойского легло в основу нового типа усилителей радиоволн с чрезвычайно низким уровнем собственных шумов. И именно этот усилитель сделал возможной удивительную сенсацию, облетевшую весь мир, — локацию Венеры, Меркурия и Марса. Об этом рассказ впереди.