Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики
Исследования управляемых термоядерных реакций почти одновременно были начаты в СССР и США в начале 50-х годов. Первоначально они велись в условиях сугубой секретности. Советский Союз первым в 1956 г. проявил инициативу по ликвидации секретности в этой важной области физики. С тех пор наши исследования в этой области неизменно занимают ведущее место в мире. С первых же шагов и до наших дней их возглавляют академики Л. А. Арцимович и М. А. Леонтович, воспитавшие много талантливой молодежи.
Советские физики первыми наблюдали возникновение нейтронного и жесткого рентгеновского излучения плазмы, причем они сразу же дали правильную оценку этому факту, показав, что возникающие нейтроны не являются, к сожалению, результатом термоядерных реакций. Они первые построили ряд крупных установок для исследования горячей плазмы (Огра-1, Огра-2, Токамак и т. д.). Недавно на установке ПР-5 в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова была получена плазма с рекордными характеристиками. Чтобы лучше уяснить полученные результаты, приведем следующую таблицу.
Характеристики плазмы Температура Концентрация Время жизни, сек Необходимо для работы термоядерного реактора 108 1015 10 Получено в США, Англии, Швеции 107 109 10−5 Получено в СССР 4·107 1010 10−1
Как видно из этой таблицы, результаты, достигнутые советскими физиками, по всем основным показателям, оказались намного выше (температура в 4 раза, концентрация в 10 раз и время жизни плазмы в 10 000 раз!), чем у физиков других стран, проводящих аналогичные исследования. Особенно важным является резкое увеличение времени жизни горячей плазмы, достигнутое нашими учеными. Однако сравнение этих результатов с данными, необходимыми для работы термоядерного реактора, показывает, что хотя нашим физикам и удалось пройти большой путь, полное решение проблемы потребует еще немало времени и усилий.
●
Работы советских физиков в области физики атомного ядра и элементарных частиц, о которых мы рассказали в этом кратком обзоре, далеко не исчерпывают всех выполненных фундаментальных исследований. Ограниченные размерами брошюры, мы лишены возможности сколько-нибудь подробно рассказать об открытии ядерной изомерии у искусственных радиоактивных изотопов, сделанном в 1935 г. И. В. Курчатовым, Б. В. Курчатовым, Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым, или о первых наблюдениях ливней космических частиц, произведенных в 1927 г. академиком Д. В. Скобельцыным при помощи камеры Вильсона, находящейся в сильном магнитном поле. Следует также упомянуть о создании Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым метода наблюдения элементарных частиц в специальных толстослойных фотоэмульсиях.
Необходимо также отметить ряд крупных теоретических исследований советских физиков в указанной области.
Академики Л. И. Мандельштам и М. А. Леонтович первыми создали теорию прохождения частиц через потенциальный барьер, вскрывшую механизм α-распада радиоактивных ядер.
Академик Л. Д. Ландау выдвинул «принцип комбинированной четности», весьма плодотворной для систематики элементарных частиц.
Академик В. Л. Гинзбург и член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский создали современную теорию происхождения космических лучей.
Академик И. Я. Померанчук создал теорию взаимодействия частиц и античастиц при очень высоких энергиях.
Профессор Д. Д. Иваненко первый предложил протонно-нейтронную модель атомного ядра.
Этот список можно было бы без труда значительно продолжить. Но и того, что уже было сказано, достаточно, чтобы составить представление о большом вкладе советских физиков в один из важнейших разделов современной физики.
ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕФОРМАЦИИ
Огромный вклад в эту чрезвычайно важную область физики внесли работы академика Абрама Федоровича Иоффе и его учеников.
Большинство твердых тел имеет кристаллическую структуру. Долгое время в физике господствовали представления о том, что реальные кристаллические тела мало чем отличаются от идеальных. Общепризнанная теория кристаллической решетки, разработанная Максом Борном, исходила из идеальных представлений о кристалле, где каждый атом находится на своем месте, а какие-либо нарушения структуры (примеси, внутренние дефекты) полностью отсутствуют. Эта теория хорошо описывала многие свойства кристаллических тел (электропроводность, теплопроводность и т. п.). Но как только дело доходило до определения прочности на разрыв, наблюдалось громадное расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами. Прочность реальных кристаллов оказывалась в сотни раз ниже теоретической. Например, теория указывает, что каменная соль должна выдерживать напряжения до 200 кг/мм2, а в действительности кристаллы каменной соли разрываются уже при нагрузке в 400 г/мм2.
Академик А. Ф. Иоффе первый понял причину этого громадного расхождения. Дело в том, что реальный кристалл существенно отличается от идеального. Как внутри, так и на поверхности его имеется много различных скрытых дефектов. Например, в каком-нибудь узле кристаллической решетки поваренной соли вместо атома натрия оказался атом хлора или серы, а иногда вообще никакого атома нет. На поверхности кристалла при сильном увеличении можно увидеть разветвленную сеть микроскопических трещин, резко понижающих его прочность.
Чтобы убедиться в этом, А. Ф. Иоффе произвел в 1924 г. поразительно простые опыты, которые с тех пор вошли во все курсы общей физики под названием «эффекта Иоффе». Погружая кристаллы каменной соли в теплую воду, он растворял тонкий поверхностный слой вместе с присущими ему дефектами и показал, что при этом прочность кристаллов возрастала в 10–20 раз.
В другой серии опытов выточенные из кристаллов каменной соли шары медленно охлаждались до температуры жидкого воздуха, а затем быстро погружались в расплавленный свинец. При этом согласно теории внутри шаров должно было возникать внутреннее напряжение (за счет быстрой смены сжатия на расширение) порядка 70 кг/мм2. Но шары не разрывались, свидетельствуя о том, что подлинная внутренняя прочность каменной соли близка к теоретическому пределу.
Идеально упругое кристаллическое тело после прекращения воздействия деформирующей силы должно немедленно возвратиться в исходное недеформируемое[3] состояние. В действительности же всякая деформация оставляет за собой медленно исчезающий след — так называемое упругое последействие. Кроме того, предсказываемый теорией предел упругости, за которым твердое тело начинает течь подобно вязкой жидкости, также значительно выше реально наблюдаемой величины.
А. Ф. Иоффе первым создал метод экспериментального исследования механизма пластической деформации кристаллических тел. Суть этого метода состоит в последовательном наблюдении дифракции рентгеновских лучей, проходящих через кристалл, медленно деформируемый под влиянием внешних сил. Опыты, проделанные с кристаллами каменной соли, показали, что до определенного предела нагрузки никаких изменений на полученных лауэграммах не наблюдается. При достижении предела текучести пятна на рентгенограмме внезапно раздваиваются, затем умножаются и, наконец, вытягиваются в длинные хвосты. Это свидетельствует о том, что за пределом упругости образцы перестают быть правильными монокристаллами; они распадаются на отдельные монокристаллики, которые смещаются и поворачиваются относительно своих соседей. Каждый из них дает свою систему пятен Лауэ, суммирующуюся с пятнами от других монокристалликов. Такое явление было названо астеризмом, а предложенный А. Ф. Иоффе метод стал одним из основных методов исследования механизма деформаций кристаллических тел.
Продолжая эти исследования, А. Ф. Иоффе установил, что пластическая деформация происходит в кристалле не непрерывно, как думали до той поры все физики, а скачкообразно. При непрерывно действующей нагрузке деформация идет скачками, повторяющимися через одинаковые промежутки времени и даже сопровождающимися слабыми щелчками, напоминающими тиканье часов.
Этими, а также и некоторыми другими работали А. Ф. Иоффе заложил фундамент современных представлений о механизме прочности и пластичности реальных твердых тел. Он подал физикам глубокую идею о необходимости изучения различных дефектов кристаллической решетки, чрезвычайно сильно влияющих на многие свойства твердых тел.
