Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Поучительна история этого открытия. Поучительна потому, что она еще раз
убедительно показывает, что человек, одержимый какой-то идеей, способен видеть в
известных вещах только ему одному понятные явления, улавливать лишь для него
очевидные ассоциации, приводящие в конце концов к открытию.
Дональд Глезер в течение долгого времени мучительно искал материал, твердый или
жидкий, находящийся в таком неустойчивом равновесии, которое могла бы нарушить
даже одна-единственная атомная частица. В этом случае частица, непредставимо
эфемерная, могла бы оставить за собой видимый глазом след, который состоял бы,
например, из пузырьков испарившейся жидкости. Временами Глезер терял надежду —
слишком ничтожной казалась вероятность испарить энергией единственной частицы
заметное количество жидкости.
Однажды Глезеру попалась на глаза тридцатилетней давности статья Кенрика,
Гильберта и Визмера о "странной жидкости" — диэтиловом эфире, нагретом до
140 °C. "Странность" жидкости заключалась в том, что при этой температуре
она обязательно бурно вскипала, однако всегда через различные промежутки
времени. Проведя тридцать экспериментов, авторы убедились в том, что промежутки
времени перед вскипанием этой "капризной" жидкости образовывали ряд,
соответствующий закону случайных событий.
Глезер засел за расчеты, которые показали, что частота вскипания жидкости в
точности соответствует возможности попадания в колбу космических лучей, т. е.
отдельных атомных частиц с высокой энергией. Так была открыта первая жидкость,
пригодная для использования в пузырьковой камере, за создание которой Глезер
получил в 1960 г. Нобелевскую премию.
Пузырьковая камера действительно может быть названа "антикамерой Вильсона": если
в камере Вильсона след частицы составлен капельками жидкости, осевшими на
ионизированных атомах, то в пузырьковой камере, наоборот, след состоит из
пузырьков газа, образовавшихся в исходной жидкости за счет тепла, выделенного
при образовании заряженных ионов. В пузырьковой камере применяют органические
жидкости или ожиженные газы. Первая лабораторная модель камеры была с наперсток.
Сегодня полезные объемы пузырьковых камер различны — от нескольких долей литра
до нескольких сот литров. Различаются и магниты, используемые с этими камерами.
Для советской фреоновой камеры диаметром 115 см и глубиной 50 с изготовлен
магнит с полем 2,65 Тл и массой 72 т.
Существуют еще более крупные камеры и магниты. В США построена, например,
жидководородная пузырьковая камера объемом 600 л. В Советском Союзе, в Дубне
пущена крупнейшая в мире пропановая камера диаметром 2 м. Эта камера установлена
на одном из антипротонных каналов дубнинского синхрофазотрона.
Довольно крупная жидководородная камера диаметром около 5 м "Мирабель"
установлена в Протвино на Серпуховском ускорителе для фиксации последствий удара
протонов, ускоренных до 76 ГэВ, в ядро-протон атома водорода. Именно камеры
такого типа дают две трети всей новой информации об элементарных частицах,
поэтому нет ничего удивительного в готовности физиков идти на любые расходы по
созданию магнито-жидководородных регистраторов. "Мирабель", например, выглядит
трехэтажной башней, в центре которой расположена камера, окруженная сложными
инженерными сооружениями, куда входит магнит, ожижитель водорода (-246 °C!),
системы автоматического управления режимами и измерений. Полученная информация
использовалась для совместной работы советских ученых и физиков из Французского
центра ядерных исследований в Саклэ.
В последнее время для создания пузырьковых камер, особенно больших, широко
используют сверхпроводниковые магниты. Это позволяет резко снизить размеры,
массу и энергопотребление магнитной системы. В недалеком будущем такие системы,
по-видимому, будут обходиться и дешевле обычных.
ЭПР
И вновь рассказ про П.Л.Капицу; про "открытого" им физика, в свою очередь
сделавшего открытие, связанное с электромагнетизмом электронов.
О применении магнетизма можно рассказывать много, но никак нельзя умолчать об
открытии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Дело было так.
После революции магнитная лаборатория Московского университета, которой было
присвоено имя Максвелла, вписала яркие главы в теорию магнетизма. Еще в 1913 г.
ученик П.И.Лебедева В.К.Аркадьев заметил первый магниторезонансный эффект —
поглощение ферромагнетиками высокочастотных электромагнитных колебаний.
"Исследования полного спектра вещества, — писал Аркадьев, — открывают перед нами
возможность проникнуть в геометрическое распределение зарядов отдельных атомов и
молекул, изучить строение их и подойти к решению самых разнообразных физико-
химических вопросов, Эта огромная задача, которую электронная теория материи
ставит спектральному анализу, открывает спектроскопии широкое поле интересной и
плодотворной работы, но она требует для своего решения ряда систематически
проведенных исследований в разных частях спектра… Ближайшей задачей является
определение полос поглощения по всей доступной нам шкале электромагнитных
волн…"
Это все та же великая лебедевская программа изучения процессов взаимодействия
излучения с веществом. Работы Аркадьева вызвали большой интерес. П.Эренфест
писал ему в Москву 20 июня 1913 г.: "Я вчера рассказывал о Ваших магнитных
работах Вейссу и Эйнштейну. Оба проявили большой интерес к Вашим опытам и к
Вашим идеям".
Е.К.Завойский начал свои исследования еще до войны, в 1939 г., и уже в мае
1941 г., экспериментируя на протонах, впервые с группой коллег наблюдал странные
сигналы, которые из-за старого, то и дело замыкающего электромагнита, носили
нерегулярный характер. Война прервала работы, провести контрольные опыты не
удалось, материалы не были опубликованы. А эти сигналы подавала им природа,
готовая поведать ученым об одном из заветнейших ее секретов. За открытие
ядерного магнитного резонанса американские физики Ф.Блох, Р.Паунд и Е.Пэрселл
были удостоены в 1946 г. Нобелевской премии по физике.
Во время войны Завойский, изучая поглощение радиоволн парамагнетиками, обратил
внимание на явно выраженный максимум поглощения, смещавшийся в сторону более
сильных магнитных полей при повышении частоты волн, — это определенно указывало
на резонансную природу эффекта.
В 1943 г. из эвакуации в Москву возвращается П.Л.Капица (опять Капица, патриарх
магнетизма XX века!). Он привез с собой Е.К.Завойского, который в ту пору
заведовал кафедрой физики Казанского университета имени В.И.Ульянова-Ленина. Без
сильных сотрудников, с плохеньким оборудованием ему удалось открыть ЭПР!
Парамагнетик мог поглощать энергию, когда при некоторых частотах поля электроны
"переворачивались" другим, высокочастотным полем. Как тут не вспомнить про
исследования Столетова, изучавшего намагничивание мягкого железа!
Капица предложил Завойскому продемонстрировать эффект на оборудовании Института
физических проблем в Москве и исследовать эффект при низких температурах. Вместе
с Завойским над созданием экспериментальной установки работал будущий академик
А.И.Шальников.
В 1974 г., когда праздновали восьмидесятилетие П.Л.Капицы, Е.К.Завойский
преподнес ему в качестве подарка макет своей знаменитой теперь установки. Вот
какой текст сопровождал подарок:
"Глубокоуважаемый Петр Леонидович!
Вы — первый физик, оценивший электронный парамагнитный резонанс. В день Вашего
юбилея в память об этом прошу принять Вас то, что сохранилось… 1946 г. Институт
физических проблем. Подвал. Установка по изучению ЭПР в диапазоне длин волн 10
см на клистроне, собранная из деталей: клистрон — американский, высокочастотный
кабель — немецкий. Остальная аппаратура была отечественной. Не все сохранилось.
Но в памяти осталась атмосфера дружелюбия. Вы и Александр Иосифович Шальников во
многом определили счастливую судьбу ЭПР. 1974 г.
Ваш Е.К.Завойский"
Открытие Завойского сильно продвинуло исследования, которые позднее привели к
созданию мазеров и лазеров, а также способствовали обнаружению новых, близких по
природе к ЭПР, физических эффектов — ядерного парамагнитного резонанса,
ферромагнитного и антиферромагнитного резонанса, акустического парамагнитного
