«В истории физики известны имена выдающихся ученых, которые своими трудами более или менее значительно опередили свой век. Так, например, Ломоносов почти на столетие раньше “срока” сформулировал идею молекулярно-кинетической теории. То же можно сказать и о Циолковском, который примерно на полстолетия опередил эру ракетной техники. Заслуженное признание и слава этих ученых пришли для них слишком поздно. Они сами при жизни не могли участвовать в развитии и направлении своих идей. Современные этим ученым наука и техника не были подготовлены для восприятия их идей. И это обстоятельство в некотором смысле было бедой для таких, безусловно, великих ученых: они не были признаны современниками. Истинно счастлив ученый, который идет “в ногу” со временем».
Таким счастливым ученым воспринимал Игоря Васильевича Курчатова его младший современник академик И.К.Кикоин, – приведенные слова взяты из его статьи «Жизнь, отданная науке», написанной по случаю 60-летия одного из виднейших отечественных ученых ХХ в. Курчатов был счастлив тем, что, несмотря на свою сравнительно недолгую жизнь – 57 лет, – он имел возможность видеть, как его научные идеи реально воплощаются в жизнь, тем, что создал солидную научную школу ученых-атомщиков. Наконец, он был счастлив тем, что не только был признан официально, но и оставил о себе редкостно добрую память в сердцах людей, испытавших обаяние его личности. Однако в сегодняшнем общественном сознании Курчатов-физик зачастую оказывается заслоненным Курчатовым-руководителем атомного проекта, что ведет к явной недооценке его собственного научного наследия. Поэтому в предлагаемом очерке речь пойдет прежде всего о физических исследованиях Курчатова.
И.В.Курчатов родился 12 января 1903 г. в селе Сим Уфимской губернии. Отец его, Василий Алексеевич, был по роду занятий помощником лесничего, позже – землемером-землеустроителем, мать, Мария Васильевна (в девичестве Остроумова), до замужества работала учительницей в церковно-приходской школе. В семье Игорь был вторым ребенком – несколькими годами раньше родилась старшая сестра Антонина, а в 1905 г. появился на свет младший брат Борис, впоследствии ученый-радиохимик. Для того чтобы дети могли получить образование, семья Курчатовых в 1908 г. переехала в Симбирск, где Игорь начал учиться в казенной гимназии. В 1912 г. Курчатовы были вынуждены перебраться в Крым, в Симферополь, чтобы лечить Антонину, заболевшую горловой чахоткой. Спасти ее не удалось. Семья так и осталась жить в Симферополе, где в 1920 г. Игорь закончил гимназию с золотой медалью.
Осенью 1920 г. Игорь Курчатов стал студентом математического отделения физико-математического факультета Крымского университета. С учителями ему повезло: ректором университета в то время был А.А.Байков, выдающийся химик и металлург, впоследствии академик, лекции по физике читал Я.И.Френкель, отдельные лекции читал А.Ф.Иоффе. Чтобы выжить в тогдашних условиях, приходилось подрабатывать воспитателем в детском доме, нарядчиком в автогараже, сторожем в совхозном саду, пильщиком дров на консервной фабрике... Лишь в 1922 г. студенту Курчатову удалось устроиться на работу препаратором в физическую лабораторию Крымского университета. И в таких нелегких условиях уже в следующем, 1923 г. Курчатов досрочно закончил университет, пройдя за три года четырехлетнюю программу. Дипломная работа имела название «Теория гравитационного элемента», и в ней с привлечением законов термодинамики был дан математический расчет электродвижущей силы, возникающей под действием силы тяжести.
Окончив университет, Курчатов решил продолжить образование в Петрограде. Спустя несколько месяцев после защиты диплома он поступил на кораблестроительный факультет Петроградского политехнического института. Окончить его Курчатову не удалось, но зато уже через несколько месяцев после поступления в институт в журнале по метеорологии появилась его первая научная работа. Дело в том, что параллельно с занятиями в институте Курчатов устроился на работу в Магнитно-метеорологическую обсерваторию (в Павловске, под Петроградом), где ему было предложено провести исследование альфа-радиоактивности снега. В этом исследовании впервые была надежно определена радиоактивность свежевыпавшего снега и даны математические методы расчета, где учитывалось радиоактивное равновесие продуктов распада радона и поглощение водой альфа-частиц.
Летом 1924 г. появилась следующая научная работа Курчатова, на этот раз по физике моря. Работая в Гидрометеорологическом центре в Феодосии, он исследовал сейши – медленные колебания уровня воды в Черном и Азовском морях. Эти моря отделены от океана цепью промежуточных морей и проливов. Атлантическая приливная волна сюда не проникает – ее энергия поглощается Средиземным, Эгейским и Мраморным морями. Главный результат, полученный Курчатовым, состоит в том, что вся вода в Черном и Азовском морях под действием лунного тяготения совершает колебания, похожие на колебания воды в тазу, которому сообщили толчок (рис. 1). В то время как уровень поднимается у одного «берега» таза, он опускается у другого. Где-то посередине проходит так называемая узловая линия, на которой частицы воды лежат неподвижно.
После Феодосии Курчатов в течение года работал в Баку, в Азербайджанском политехническом институте. Первые исследования в области физики диэлектриков, получившие интенсивное развитие в дальнейшем, были начаты именно здесь, однако более чем скромное материально-техническое оснащение бакинского института вынудило Курчатова осенью 1925 г. вернуться в Ленинград, в Физико-технический институт, руководимый А.Ф.Иоффе. С ЛФТИ Курчатов оказался связанным на длительный срок.
С 1932 г. И.В.Курчатов постепенно перешел к исследованиям в области ядерной физики. О них далее будет говориться подробно, а пока поговорим о другой области физики, где в это время интенсивно работал молодой ученый, – о физике диэлектриков.
Рис. 1. Узловая линия колебаний воды в плоском
сосуде
1. Работы И.В.Курчатова по исследованию сегнетоэлектричества
Исследования свойств сегнетоэлектриков Курчатов (совместно с П.П.Кобеко и Б.В.Курчатовым) провел по поручению А.Ф.Иоффе в 1929 г. Результаты были обобщены в монографии Курчатова 1933 г. «Сегнето-электрики» – первой в мире на эту тему, в течение многих лет бывшей настольной книгой для специалистов по физике диэлектриков. Рассмотреть свойства сегнетоэлектриков на уроке физики в школе представляется в высшей степени полезным параллельно с темой «Магнитные свойства вещества», поскольку речь идет о явлении, во многом схожем с ферромагнетизмом. Изложение данной темы в классе можно разбить на следующие этапы.
А. Историческая справка. Сама сегнетова соль C4H4O6KNa • 4H2O (двойная калий-натриевая соль винной кислоты) была открыта французским аптекарем П.Сеньеттом в 1672 г. В твердом состоянии это хрупкие кристаллы ромбической системы, хорошо растворимые в воде. Плотность (в твердом состоянии) равна 1776 кг/м3, температура плавления 55,6 °С. Существенно, что при комнатной температуре в кристалле соли можно выделить определенное направление (ось), относительно которой имеется электрическая анизотропия: значение диэлектрической проницаемости достигает 104, однако это имеет место лишь в определенном температурном интервале (И.В.Курчатов в 30-е гг. указывал интервал от –20 до +25 °С; в современных источниках он задается от –18 до +24 °С). Особые электрические свойства сегнетовой соли впервые были обнаружены еще в 1918 г. (Д.Андерсон, США); позднее схожие свойства были найдены у дигидрофосфата калия KH2PO4; в 1944 г. Б.М.Вул (СССР) открыл еще один сегнето-электрик – титанат бария BaTiO3. Сегодня известно несколько сотен сегнетоэлектриков.
Б. Основные свойства сегнетоэлектриков. Схожесть свойств ферромагнетиков и сегнетоэлектриков проявляется прежде всего в том, что в обоих случаях наблюдается явление гистерезиса, и в обоих случаях это явление объясняется наличием доменных структур: спонтанной намагниченности определенных микрообластей в ферромагнетиках и спонтанной поляризации определенных микрообластей в сегнетоэлектриках. В обоих случаях в отсутствии внешнего поля (магнитного или электрического) ориентация доменов беспорядочна, так что суммарная намагниченность (или поляризация) образца равна нулю. При наложении внешнего поля домены упорядочиваются, принимают единое направление. Доменная структура существует до определенной температуры, поэтому как ферромагнетики, так и сегнето-электрики можно характеризовать температурой Кюри, при достижении которой имеет место фазовый переход. В сегнетоэлектриках он может быть либо первого рода, когда поляризация исчезает скачком, например, у титаната бария при температуре 133 °С, либо второго рода, как у сегнетовой соли, где в точке Кюри имеет место присущий фазовому переходу 2-го рода скачок теплоемкости.
Явление гистерезиса на уроке можно рассмотреть следующим образом. Сначала строится «петля гистерезиса» для ферромагнетиков (рис. 2) (H – напряженность внешнего магнитного поля; M – намагниченность ферромагнетика. При увеличении внешнего поля H от нуля намагниченность образца увеличивается, причем зависимость М(H) нелинейна. Если по достижении некоторого значения Н начать его уменьшать, то кривая размагничивания М(H) пойдет выше кривой намагничивания, так что при Н=0 в образце будет существовать отличная от нуля остаточная намагниченность M'. Чтобы уменьшить ее до нуля, нужно приложить к образцу внешнее поле обратного направления величиной Н'. Поле Н' называется коэрцитивной силой. Дальнейшее перемагничивание образца будет описываться замкнутой кривой М(Н), которая называется петлей гистерезиса.
Рис. 2. Петля гистерезиса в ферромагнетике
Для сегнетоэлектриков вид графика сохраняется полностью, но по горизонтали откладывается напряженность внешнего электрического поля E, а по вертикали – поляризация сегнетоэлектрика Р. Интерпретация этого графика аналогична случаю ферромагнетиков.
В. Практическое применение сегнетоэлектриков. Поскольку эти вещества имеют большую ди-электрическую проницаемость (для титаната бария она достигает 7000), на основе сегнетоэлектриков можно изготавливать сложные диэлектрики и использовать их для изготовления конденсаторов большой емкости. Так как диэлектрическая проницаемость существенно зависит от напряженности внешнего электрического поля, можно изготавливать нелинейные конденсаторы (так называемые вариконды). А так как показатель преломления диэлектриков существенно зависит от величины e (n2 ~e, для диэлектриков m=1), то сегнетоэлектрики могут быть использованы в качестве электрооптических материалов.
2. И.В. Курчатов и ядерная физика 30-х гг.
Годом рождения ядерной физики в современном понимании этого слова можно считать 1932 г., когда английским физиком Д.Чедвиком был открыт нейтрон и когда Д.Д.Иваненко в СССР и В.Гейзенбергом в Германии была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. Курчатов сразу же включился в исследования по ядерной физике. Уже в 1933 г. под его руководством в ЛФТИ были созданы высоковольтная установка и ускорительная трубка, с помощью которых получались пучки протонов энергиями 350 кэВ. Позже под его же руководством были созданы высоковольтные установки на Украине, в харьковском Физико-техническом институте. В 1939 г., опять-таки под руководством Курчатова, был введен в действие первый советский циклотрон в Ленинграде, в Радиевом институте, а двумя годами позже – в Ленинградском физтехе (газета «Правда» сообщила об этом 22 июня 1941 г.), и это был крупнейший по тем временам циклотрон в Европе. Наконец, экспериментальные исследования по спонтанному делению урана в конце 30-х гг. проводились Г.Н.Флеровым и К.А.Петражаком также при активном участии Курчатова.
О двух работах 30-х гг., в которых роль Курчатова была особенно велика, следует сказать особо.
А. Исследования по ядерной изомерии (совместно с Б.В.Курчатовым, Л.И.Русиновым, Л.В.Мысовским, 1935 г.). Само понятие «ядерная изомерия» появилось в физике еще в 1921 г., когда О.Ган (Германия) открыл радиоактивное вещество, названное им ураном-Z, которое по массовому числу и по химическим свойствам не отличалось от известного тогда урана-X2. Позже было установлено, что на самом деле это два состояния ядра палладия массовым числом 234, но с разными энергиями и периодами полураспада. Ныне известно большое число изомеров с периодами полураспада от 10–6 с до многих лет, однако их систематическое изучение началось именно с работы Курчатова и его коллег.
В природе существуют два стабильных изотопа брома массовыми числами 79 и 81; при их облучении медленными нейтронами получаются два радиоактивных изотопа брома массовыми числами 80 и 82. Однако группой Курчатова было обнаружено, что в этих реакциях наблюдаются не два, а три значения периодов полураспада: кроме известных ранее периодов 18 мин и 4,5 ч добавилось еще не наблюдавшееся прежде значение периода полураспада 36 ч. И.В.Курчатов, выступая в марте 1936 г. на сессии Академии наук СССР, проанализировав аномальную ситуацию, признал, что обычные объяснения, не требующие новых допущений, маловероятны, и закончил фразой: «Возможен и другой путь объяснения происхождения третьего радиоактивного брома – путь, который, правда, приводит к существенно новому допущению о существовании ядер-изомеров».
Мысль, которую далее развивает Курчатов, сводится к тому, что под ядрами-изомерами следует понимать ядра, которые имеют одинаковые заряды и массовые числа, но разную внутреннюю структуру. Для середины 30-х гг. позиция Курчатова была уязвимой. Идеи относительно наличия определенной структуры атомных ядер, точнее – наличия в ядрах определенных оболочек, на которых располагаются внутриядерные частицы, высказывались и ранее, во второй половине 20-х гг. (правда, рассматривалось расположение в ядрах протонов и электронов, поскольку нейтрон еще не был открыт). Однако в последующем оказалось, что оболочечная модель ядра не может объяснить энергии связи атомных ядер, особенно легких.
В конце 30-х гг. Н.Бор, Дж.Уилер и Я.И.Френкель сформулировали основные положения капельной модели ядра, с помощью которой было объяснено деление атомных ядер. Однако ряд новых фактов капельная модель объяснить не могла (например, существование так называемых «магических чисел» для зарядов и числа нейтронов в ядрах, равных 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и 152; ядра с «магическими» значениями Z и N имеют большее число изотопов, чем их «соседи»; эти ядра максимально распространены в природе; именно около ядер с числами 50, 82, 126 существуют так называемые «острова ядерной изомерии» и т.д.). Поэтому с конца 40-х гг. оболочечная модель атомных ядер стала вновь интенсивно развиваться.
Применительно к явлению изомерии речь идет о следующем. Различие в физических свойствах изомерных ядер состоит в том, что они находятся в разных квантово-механических состояниях. Одно из ядер-изомеров находится в основном, невозбужденном состоянии, а другое – в возбужденном метастабильном, т.е. ограниченно устойчивом состоянии. Однако время жизни такого возбужденного состояния ядра столь велико по сравнению со временем жизни ядра в обычных возбужденных состояниях, имеющих место при ядерных реакциях, что такое ядро может рассматриваться как самостоятельное. Ядро в основном состоянии обычно называют основным изомером, а ядро в возбужденном состоянии – верхним изомером. При этом в ядре нуклонные оболочки должны быть почти заполнены, а числа N и Z близки к магическим.
В 1936 г. основные положения теории изомерии атомных ядер, в частности, идея наличия у ядра метастабильных уровней, были сформулированы К.-Ф. фон Вейцзеккером (Германия). И.В.Курчатов развил эти идеи, первым сформулировав фундаментальное положение: наиболее часто происходящим процессом разрядки метастабильного состояния ядра является внутренняя конверсия. Первоначально под этим явлением понимался выброс возбужденным ядром гамма-кванта, который выбивал электрон с одной из электронных оболочек, а сам конверсионный электрон покидал пределы атома, так что возникал своеобразный фотоэффект. Ядро в результате переходило в состояние меньшей энергии. Последующие исследования показали, однако, что такая двухступенчатость (выброс кванта из ядра и затем выброс электрона с оболочки) маловероятна, ибо испускание конверсионных электронов может происходить только как результат испускания гамма-квантов строго определенной энергии, а их число в спектре гамма-излучения мало. Поскольку исследования показали, что интенсивность конверсионных электронов превышает интенсивность электронов при фотоэффекте примерно в 100 раз, это означает, что передача энергии конверсионным электронам от возбужденного ядра происходит не на второй ступени, а путем непосредственного электромагнитного взаимодействия ядра с электронной оболочкой. (Попутно отметим, что сами конверсионные электроны, в отличие, например, от электронов бета-распада, имеют не сплошной, а ярко выраженный линейчатый спектр.) После того как произошла внутренняя конверсия, свободное на электронной оболочке место, покинутое ушедшим конверсионным электроном, занимает электрон с более высокого энергетического уровня. Переход на более низкий уровень сопровождается испусканием кванта рентгеновского диапазона. Испускание характеристического рентгеновского излучения является одной из отличительных особенностей внутренней конверсии.
Б. Роль И.В.Курчатова в открытии спонтанного деления ядер. Проблема, которую исследовали в конце 30-х гг. Курчатов и сотрудники его лаборатории, заключалась в следующем. После того как в начале 1939 г. стало известно об исследованиях О.Гана и Ф.Штрассмана по расщеплению ядра урана нейтронами и о принципиальной возможности цепной реакции, встал вопрос о способах реализации последней. В частности, о возможности деления природного урана-238 быстрыми нейтронами и о характеристиках вторичных нейтронов. Пытались измерить «порог» деления природного урана и вероятность неупругих столкновений быстрых нейтронов с ядрами урана. Методов измерения энергии нейтронов с необходимой точностью в то время не было. Действовали следующим образом. Источник нейтронов помещался в центр уранового шара, а вне шара производились замеры энергии ослабленного нейтронного потока. Параллельно проводились замеры для источника нейтронов, помещенного внутрь шара из свинца. Оказалось, что урановый шар ослаблял нейтронный поток, а свинцовый не влиял на него никак. К исследованию этой аномалии Курчатов привлек молодых сотрудников своей лаборатории Г.Н.Флерова и К.А.Петржака.
Г.Н.Флеров вспоминал: «Решили разобраться, как нейтроны с меньшей энергией, чем у радон-бериллиевого источника, делят уран. Тогда станет ясной роль “мягкой” компоненты нейтронного потока, которая образуется после замедления нейтронов ураном. Возникла идея использовать фотонейтронные источники, у которых энергетический нейтронный спектр лежит в “мягкой” области. Появились трудности. Поток фотонейтронного источника в сотни раз меньше, чем, скажем, у радон-бериллиевого. Нужен был детектор нейтронов с рекордной чувствительностью».
По заданию Курчатова такой детектор был изготовлен. Он представлял собой камеру, внутри которой находились 25 металлических пластин, вставленных друг в друга наподобие конденсатора переменной емкости в ламповом радиоприемнике, однако эти пластины были жестко закреплены (рис. 3). Общая площадь пластин составляла 1000 см2. К.А.Петржак покрыл эти пластины очень ровным слоем оксида урана, а сверху – слоем сусального золота. «Все это было особенно важно. Появись мельчайшая пылинка на поверхности электрода, о чем знают все, кто имел дело со счетчиками ядерных частиц, и вокруг нее возникает область, в которой происходит пробой газового промежутка между пластинами, а на выходе камеры появляются импульсы. В камере с большой площадью пластин стал заметнее “микрофонный” эффект, увеличился фон от одновременного совпадения импульсов альфа-частиц, испускаемых ураном, возросла электрическая емкость».
Рис. 3. Многослойная ионизационная камера, с
помощью которой под руководством И.В.Курчатова
его учениками К.А.Петржаком и Г.Н.Флеровым в
1940 г. было открыто спонтанное деление урана