Текст книги "100 великих научных достижений России"

Фотоэффект Столетова

Физик, историк и популяризатор науки, философ, лектор, общественный деятель; профессор Московского университета; участник международных научных конгрессов; организатор первой в России учебно-исследовательской физической лаборатории при Московском университете; основатель и глава первой научной школы физиков; председатель физического отделения Общества любителей естествознания, кавалер золотой медали общества; директор физического отдела при Политехническом музее; член 8 русских и иностранных ученых обществ, почетный член Императорского университета Святого Владимира, Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) является одним из основоположников русской физики. Наиболее важные работы были выполнены Столетовым в области фотоэффекта.

А.Г. Столетов заложил основы русской физики своими трудами и научной школой, воспитавшей десятки выдающихся ученых: П.Н. Лебедева, Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, А.П. Соколова, Б.В. Станкевича. Н.Н. Шиллера, В.С. Щегляева, П.A. Зилова и др.

Из фундаментальных исследований Столетова в области оптики, электромагнетизма и молекулярной физики выделим фотоэффект, работами по которому ученый вписал славную страницу в развитие отечественной физики. Изучению этого явления Столетов посвятил два года жизни (1888–1890). Эти исследования называли тогда актиноэлектрическими.

Памятник А.Г. Столетову у физфака МГУ. Скульптор С.И. Селиханов

К этому времени русский физик был известен своими экспериментальными работами по электростатике и электромагнетизму. Изучая магнитные свойства железа, Столетов нашел зависимость магнитной восприимчивости железа от величины намагничивающего поля (докторская диссертация «Исследования функции намагничивания мягкого железа»). Определяя свойства ферромагнетиков, ученый получил кривую магнитной проницаемости, названную его именем. Исследователь предложил два классических метода магнитных измерений веществ – метод тороида с замкнутой магнитной цепью и баллистическое измерение намагниченности. О своих исследованиях по определению коэффициентов пропорциональности между электростатическими и электромагнитными единицами Столетов доложил на I Всемирном конгрессе электриков в Париже (1881), чем способствовал утверждению электромагнитной теории света. На этом конгрессе по предложению русского ученого была утверждена единица электрического сопротивления – Ом, а также эталон сопротивления, то есть был сделан первый шаг к созданию системы единиц электрических измерений. Предложенные Столетовым теория намагничивания и методы испытаний магнитных свойств железа стали импульсом для развития электротехники в мире.

Внешний фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием света открыл немецкий физик Г. Герц в 1887 г. Облучая один из двух металлических шаров разрядника для излучения электромагнитных волн ультрафиолетовыми лучами, Герц зафиксировал усиление электрического разряда между шарами.

В это же самое время изучением данного явления занимались независимо друг от друга сразу несколько ученых. Немецкий физик В. Гальвакс наблюдал, как заряжается положительно облученная ультрафиолетовым светом металлическая пластинка, итальянский исследователь А. Риги установил возможность фотоэффекта в металлах и в диэлектриках. Русский ученый А.Г. Столетов впервые провел всесторонние экспериментальные исследования и определил природу и основные закономерности этого явления, предложил количественные методы исследования фотоэффекта и фотоэлектрического контроля интенсивности света.

В своих опытах Столетов хотел выяснить, какое количество фотоэлектронов (он называл их зарядами) вырывается с поверхности вещества, от чего зависит их число и чему равна их кинетическая энергия. Ученый помещал в вакуумированный стеклянный баллон сетчатый конденсатор (металлическую сетку – анод и плоский цинковый диск – катод). Катод, подсоединенный к отрицательному полюсу батареи, облучался ультрафиолетовым излучением от вольтовой дуги через специальное кварцевое окошко. На электроды подавалось напряжение, изменяемое потенциометром.

Под действием света катод испускал отрицательно заряженные частицы (ими оказались электроны), вследствие чего в электрической цепи возникал электрический ток, измеряемый гальванометром. В результате тщательных экспериментов Столетов установил, что при малых напряжениях до анода долетает лишь часть вырванных светом отрицательных частиц, а при увеличении напряжения (и при неизменной интенсивности излучения) сила тока растет. Физик определил также, что при определенной разности потенциалов фототок достигает своего максимума и дальше не растет – выходит на насыщение. Затем ученый установил фактическую безынерционность фотоэффекта, то есть одновременность освещения металла и выхода из него электронов с незначительным запаздыванием фототока в 10—9 с. Изготовив первый фотоэлемент, Столетов обнаружил понижение его чувствительности со временем – т. н. фотоэлектрическое утомление; установил, что фототок возрастал при зачистке поверхности катода и повышении его температуры.

После серии тщательных экспериментов Столетов вывел первый закон фотоэффекта, заключающийся в пропорциональности силы фототока (в том числе фототока насыщения) из металла от интенсивности освещения. Физиком были сформулированы еще два закона фотоэффекта: об уменьшении максимальной скорости электронов с ростом длины волны света и о «красной границе фотоэффекта» – критической длине волны, индивидуальной для каждого металла, с превышением которой фотоэффект прекращается.

Полученные Столетовым зависимости нельзя было объяснить с классических позиций. Позднее английским физиком Дж. Томпсоном и немецким Ф. Ленардом было доказано, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны (1899), а двумя другими немецкими физиками была объяснена квантовая (фотонная) природа света (М. Планк, 1900) и создана теория фотоэффекта (А. Эйнштейн, 1905).

Закономерности, открытые Столетовым, легли в основу современной теории электрического разряда в газах, разработанную Дж. Таунсендом. Английский физик ввел в мировую научную литературу термин «эффект Столетова».

Фотоэффект нашел широчайшее применение в технике. Вакуумная установка русского ученого стала прототипом электронной лампы. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов, используемых для механизации и автоматизации технологических и контрольных процессов; для освещения улиц; в робототехнике; в рентгеновских аппаратах; в фотометрии для измерения силы света, яркости и освещенности; в кино и телевидении для воспроизведения звука (фонограмм); в фототелеграфах и фототелефонах. Фотоэлементы применяют в турникетах метро, в источниках тока в часах и микрокалькуляторах, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях, в динамомашинах, в ЭВМ.

«В своих публичных выступлениях Столетов непременно рассказывал о достижениях науки, об использовании ее в практических целях. “Было время, когда физика только что складывалась… С тех пор наука росла быстро и стала творить чудеса: не ограничиваясь расширением умственного горизонта, она подарила человеку на первых же порах и паровоз, и телеграф, и гальванопластику, и фотографию». Добавим к этому: фотоэффект и фотоэлементы.

Давление света П.Н. Лебедева

Основатель первой русской научной школы физиков, член-корреспондент Российской АН, почетный член Британского Королевского института, профессор Московского университета, Петр Николаевич Лебедев (1866–1912) в историю естествознания вошел как непревзойденный экспериментатор, решивший ряд труднейших проблем современной физики. Главным трудом ученого, количественно подтвердившим электромагнитную теорию света Дж. К. Максвелла и заложившим фундамент успешного решения многих физических проблем XX в., стало открытое и измеренное им давление света на твердые тела (1900) и газы (1908).

Небезызвестный в кругу физиков Остап Бендер в житейской суете постоянно ощущал на себе давление атмосферного столба. А вот давления света этот тонкий лирик не замечал, хотя оно в ту пору было хорошо известно не только в научных, но и в литературных кругах. Впрочем, ничего странного в том не было, так как по сравнению с атмосферным световое давление солнечных лучей на земной поверхности в миллиарды раз меньше. Первым же это давление обнаружил русский физик Петр Николаевич Лебедев на своих сверхминиатюрных установках, которым позавидовал бы сам левша.

П.Н. Лебедев. Гравюра XIX в.

К своему открытию Лебедев пришел в молодые годы в Страсбурге, где он занимался двумя научными проблемами. Одна из них стала диссертацией – «Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотти-Клаузиуса», за которую ученый получил степень доктора философии (1891), а вторая – разработка теории кометных хвостов – оказалась непосредственно связанной с делом всей его жизни – измерением давления света.

Отклонения от Солнца кометных хвостов интересовали еще Кеплера и Ньютона. Позднее ученые объясняли это явление тепловыми и другими процессами, но о давлении света не шло речи до середины XIX в., пока английский физик Дж. К. Максвелл в своей электромагнитной теории света не указал на его величину, столь микроскопическую, что подтвердить ее в опыте не было никакой технической возможности. Разнообразные эксперименты физиков на протяжении десятилетий заканчивались ничем, и только в 1888 г. немецкий ученый Г. Герц доказал, что электромагнитные колебания материальны и распространяются в пространстве без каких-либо проводов со скоростью света.

Принадлежа к числу сторонников теории электромагнетизма, Лебедев в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел» (1891) причину отклонения кометных хвостов объяснил тем, что «отталкивательная сила светового давления» превосходит ньютоновское притяжение. Мало кто из естествоиспытателей предполагал тогда, что эта работа станет этапной не только для автора статьи, но и для астрофизики и физики в целом. Лебедев же, убежденный, что он сделал «очень важное открытие в теории движения светил», поставил себе задачу – определить величину давления света на тела.

Приняв после защиты диссертации приглашение профессора А.Г. Столетова, Лебедев поступил лаборантом на кафедру физики Московского университета и за 10 лет сделал удивительную научную карьеру.

С большим трудом устроив собственную лабораторию, ученый провел сложнейшие эксперименты, которые историки науки любят сравнивать со «световой вертушкой Крукса». Под стеклянный колпак английский физик помещал крохотный пропеллер, и когда рядом включали лампу, пропеллер под воздействием света начинал безостановочно вращаться – якобы из-за теплового воздействия световых лучей на его лопасти. Этой «забавой» занимались многие физики, предварительно откачивая воздух из-под колпака, но каждый раз его остаточное давление значительно превышало силу светового давления. Лебедев для экспериментов сам конструировал установки и приборы. Надо сказать, что Петр Николаевич был кудесником по части их миниатюризации. Так, например, взяв для исследования преломления электромагнитных волн за образец 600-килограммовую призму Герца, Лебедев изготовил эбонитовую призму весом всего 2 г!

В чем же состояли трудности экспериментов? Для определения светового давления на тело Лебедев создал крутильные весы – систему платиновых сверхтонких и сверхлегких дисков на закручивающемся подвесе. Точности измерений препятствовали помехи. Не объясняя физики процессов, укажем лишь, что надо было избавиться от конвекционных потоков газа под колпаком и от неодинакового нагрева двух сторон дисков при падении на них света, вследствие чего возникал дополнительный крутящий момент. Петр Николаевич с этими препятствиями справился блестяще. В качестве примера взять хотя бы его остроумное решение по созданию в стеклянном баллоне, где размещались крутильные весы, нужного разрежения воздуха. В баллоне Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и остаточное давление достигало величин на два порядка меньших, чем в установках других экспериментаторов.

На рубеже XIX–XX вв. развитие физики требовало нового взгляда на ее основы. В преддверии мировых потрясений естествознанию нужен был мощный рывок. И многие ученые надеялись получить его, развивая электромагнитную теорию Максвелла. Интерес к этой проблеме был настолько велик, что когда Лебедев сделал доклад о своих экспериментах на Первом Международном конгрессе физиков в Париже (1900) и опубликовал в немецком журнале «Анналы физики» (1901) работу «Опытное исследование светового давления», как стал тут же знаменит – даже в салонах, где его открытие со знанием дела обсуждали дамы света.

Господа же ученые считали полученный Лебедевым результат «одним из важнейших достижений физики за последние годы», а самого физика – самым «искусным экспериментатором» того времени. Законодатель науки У. Томсон (лорд Кельвин) – ярый противник Максвелла – «вынужден был сдаться перед опытами» Лебедева и признать электромагнитную теорию света. Из открытия русского физика следовало, что электромагнитные волны обладают массой (m) и механическим импульсом (p), а электромагнитное поле наравне с формой вещества является формой материи и его энергия (Е) выражается формулой:

E = pv = mv·v,

где v – скорость света.

Лебедеву без защиты магистерской диссертации (редчайший случай в университетской практике!) присудили степень доктора наук, премию АН и избрали членом-корреспондентом АН. В 1901 г. новоиспеченному профессору дали кафедру в Московском университете.

Продолжив свои изыскания по световому давлению на газы, которое было во много раз меньше, чем на твердые тела (в связи с чем и сложность эксперимента возросла на порядок), Лебедев успешно разрешил трудности теоретического и экспериментального характера и о полученных результатах впервые сообщил в «Анналах физики» в 1910 г.

Новые опыты Лебедева были встречены мировой физической общественностью с восторгом. Британский Королевский институт избрал Лебедева своим почетным членом. В 1912 г. Лебедев был назван кандидатом на Нобелевскую премию, но, увы, повторилась история с Д.И. Менделеевым. Петр Николаевич скоропостижно скончался в возрасте 46 лет – во многом из-за серьезной драмы в его карьере ученого.

В 1911 г. Лебедев вместе с ректором и рядом других профессоров оставил Московский университет в знак протеста против действий министра просвещения Л.А. Кассо, направленных на ограничение автономии университета. На частные пожертвования в наемном помещении была организована физическая лаборатория, куда и перешел Лебедев со своими 30 учениками, многие из которых – П.П. Лазарев, С.И. Вавилов, В.К. Аркадьев, Т.П. Кравец и др. – стали всемирно известными учеными, а сама лаборатория – прообразом коллективной научной работы XX в.

Продолжать свои уникальные эксперименты на новом месте Лебедеву было очень сложно. Институт Нобеля в Стокгольме дважды приглашал физика на должность директора лаборатории, но он остался верен своим ученикам.

Все это привело к трагическому концу. Всей России стали известны слова физиолога И.П. Павлова: «Когда же Россия научится беречь своих выдающихся сынов – истинную опору Отечества?»

Опыты Лебедева открыли столбовую дорогу физикам, давшим миру квантовую и гравитационную теории, физику элементарных частиц и Вселенной. Главное уравнение теории относительности воспроизводило формулу русского ученого с той лишь разницей, что скорость света была обозначена не буквой v, а c: E = mc².

В середине XX в. были созданы атомная и водородная бомбы, в которых использовано именно давление света, но уже чудовищной величины. Пришла новая эпоха, поставившая перед физикой не только задачи созидания, а больше – разрушения.

У Лебедева не много работ, посвященных другим аспектам физики, но все они вошли в историю науки. Так, в 1895 г. он создал тончайшую установку для генерирования и приема электромагнитного излучения с длиной волны 6 и 4 мм, исследовал на ней отражение, преломление, поляризацию, интерференцию этих волн и другие явления. Ученый глубоко интересовался проблемами астрофизики, активно работал в Международном союзе по исследованию Солнца, написал ряд статей о кажущейся дисперсии межзвездной среды. В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. Исследовал физик также роль вращения Земли в возникновении земного магнетизма. Принцип термоэлемента в вакууме, выдвинутый Лебедевым, ныне нашел широкое применение в военной технике.

Низкие температуры Капицы

Физик, пропагандист и организатор науки, общественный деятель; почетный доктор 11 ведущих университетов мира; профессор-исследователь Лондонского Королевского общества, профессор МГУ; один из организаторов МФТИ, профессор и завкафедрой физики и техники низких температур МФТИ; академик, член Президиума АН СССР, член совета Тринити-колледжа, Лондонского Королевского и 30 других зарубежных академий наук и научных обществ; заместитель директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям, руководитель лаборатории им. Монда Королевского общества, директор Институт физических проблем в Москве; главный редактор «Журнала экспериментальной и теоретической физики»; член Советского комитета Пагуошского движения за мир и разоружение; лауреат Премии им. Дж. Максвелла, двух Сталинских премий, Нобелевской премии по физике; кавалер 6 орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени, Большой золотой медали им. М.В. Ломоносова, золотых медалей М. Фарадея, Б. Франклина, Н. Бора, Э. Резерфорда, Х. Камерлинг-Оннеса и др. наград; дважды Герой Социалистического Труда, Петр Леонидович Капица (1894–1984) является крупнейшим физиком-экспериментатором, внесшим значительный вклад в развитие физики магнитных явлений, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы. Имя Капицы неразрывно связано с развитием физики и техники низких температур и открытием сверхтекучести гелия.

Главным отличительным свойством Капицы, «собравшего» за жизнь много больше других советских ученых всевозможных международных наград и почетных званий, было завидное сочетание в нем ученого и инженера. Он стал одним из первых деятелей науки, усиленно внедрявшим все свои достижения в народное хозяйство. В данном случае слово «внедрявшего» не совсем верно отражает суть – все открытия и изобретения ученого сами ложились в русло научно-технического прогресса, ставшего основой мощи СССР.

П.Л. Капица и Н.Н. Семенов. Художник Б.М. Кустодиев

Исследования Капицы условно можно разделить на две большие, равные по их научному вкладу области: физику низких температур, которой ученый занимался в 1920–1945 гг., и физику высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, ставших предметом его изучения в послевоенный период. Ограничимся рассказом о научных достижениях Капицы в физике низких температур.

В 1921 г. ученый был командирован в Англию, где он работал в Кембриджском университете у Э. Резерфорда, а заодно занимался приобретением оборудования для научных учреждений России. В Кембридже Капица занялся экспериментальными исследованиями в области физики низких температур, создал метод получения сверхсильных магнитных полей, в 6–7 раз превосходивших все прежние, соответствующую технику. Благодаря короткому импульсу разряда (0,01 с) оборудование не перегревалось и не разрушалось.

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 создаются по модели Капицы.

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).