Страница 31 из 92
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.
Рудольф Мёссбауэр начал с самого главного: если причиной исчезновения резонанса является отскок атомных ядер, то нельзя ли найти какой-то способ «фиксировать» ядра? Ответ был гениально прост. Это возможно, если атом связан, в кристаллической решетке твердого тела и если кристалл охлажден до температуры, близкой к абсолютному нулю. В этом случае отскок атомного ядра при поглощении им гамма-кванта передается миллионам атомов, превращаясь в энергию колебаний кристаллической решетки. Сам Мёссбауэр приводил пример со стрельбой из винтовки. При выстреле происходит отскок, но если винтовка упирается в стену, то отскок ничтожен, так как масса стены во много раз превосходит массу винтовки. Все это легко сформулировать теоретически, однако успешная реализация идеи Мёссбауэра была осуществлена лишь в 1958 г., когда его диссертация уже «висела на волоске». В своем эксперименте Мёссбауэр использовал кристалл иридия, охлажденный жидким воздухом. Тогда-то и был открыт «ядерный гамма-резонанс без отдачи ядра». Вместо этой длинной фразы теперь просто говорят «эффект Мёссбауэра».
Особенно ярко эффект наблюдается, когда источник гамма-излучения медленно движется к мишени. Эффект Мёссбауэра дал в руки ученым исключительно чувствительный экспериментальный метод исследования, который нашел широкое применение в различных областях науки и техники. С его помощью исследуются продолжительность жизни изотопов, магнитные поля атомов и другие свойства твердых тел. Он открывает возможность и для непосредственной проверки теории относительности.
Когда Рудольф Мёссбауэр сделал свое открытие, ему было всего 29 лет. Три года спустя, в 1961 г., он (наряду с Робертом Хофстедтером) стал лауреатом Нобелевской премии по физике — за исследования резонансного поглощения гамма-квантов и открытие эффекта, носящего его имя.
VII. МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В истории физики важное место занимают исследования магнетизма. Это известное с древнейших времен явление стало объектом научных экспериментов еще в XVII в. За два последних столетия явление магнетизма было изучено достаточно полно и всесторонне, в частности, была выявлена связь магнетизма и электричества. Полученные данные и легли в основу созданной Максвеллом в 1865 г. теории электромагнитного поля.