Российские Нобелевские Лауреаты

Полученные выводы привели  П. к сотрудничеству с Николаем Басовым  в разработке молекулярных генераторов, называемых ныне мазерами (аббревиатура из первых букв английских слов: микроволновое  усиление с помощью индуцированного  стимулированного излучения – microwave amplification by stimulated emisson of radiation).

Основной принцип квантовой  физики состоит в том, что атомы  и молекулы обладают энергиями (возникающими вследствие расположения и движения их электронов), ограниченными некоторыми дискретными значениями, или энергетическими  уровнями. Множество разрешенных  энергетических уровней характерно для каждого атома или молекулы. Согласно другому принципу, электромагнитное излучение, например свет или радиоволны, состоит из дискретных порций энергии (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте. Если фотон имеет энергию, равную разности энергии между двумя уровнями, то атом или молекула могут поглотить излучение и совершить переход с нижнего уровня на верхний. Затем атом или молекула спонтанно переходят на нижний энергетический уровень (необязательно на исходный), отдавая разность энергии между двумя уровнями в форме фотона излучения. И в этом случае частота излучения находится в соответствии с энергией испущенного фотона. В 1917 г. Альберт Эйнштейн, занимаясь изучением взаимодействия излучения с веществом в ограничейной области, вывел уравнение, описывающее уже известные нам процессы поглощения и спонтанного испускания. Уравнение Эйнштейна, кроме того, предсказывает третий процесс, называемый индуцированным излучением, – переход возбужденного атома или молекулы из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией из-за наличия излучения, фотоны которого имеют энергию, равную разности энергий этих двух уровней. Теряемая при переходе энергия испускается в виде фотонов такого же типа, как и фотоны, индуцировавшие излучение.

П. и Басов предложили метод  использования индуцированного  излучения. Если возбужденные молекулы отделить от молекул, находящихся в  основном состоянии, что можно сделать  с помощью неоднородного электрического или магнитного поля, то тем самым  можно создать вещество, молекулы которого находятся на верхнем энергетическом уровне. Падающее на это вещество излучение  с частотой (энергией фотонов), равной разности энергий между возбужденным и основным уровнями, вызвало бы испускание индуцированного излучения  с той же частотой, т.е. вело бы к  усилению. Отводя часть энергии для  возбуждения новых молекул, можно  было бы превратить усилитель в молекулярный генератор, способный порождать  излучение в самоподдерживающемся режиме.

П. и Басов сообщили о  возможности создания такого молекулярного  генератора на Всесоюзной конференции  по радиоспектроскопии в мае 1952 г., но их первая публикация относится к  октябрю 1954 г. В 1955 г. они предлагают новый «трехуровневый метод» создания мазера. В этом методе атомы

(или молекулы) с помощью  «накачки» загоняются на самый  верхний из трех энергетических  уровней путем поглощения излучения  с энергией, соответствующей разности  между самым верхним и самым  нижним уровнями.

Большинство атомов быстро «сваливается»  на промежуточный энергетический уровень, который оказывается плотно заселенным. Мазер испускает излучение на частоте, соответствующей разности энергий между промежуточными и  нижним уровнями.

За десять месяцев до того, как П. и Басов в 1954 г. опубликовали свою статью, Чарлз Х. Таунс, американский физик из Колумбийского университета, который независимо пришел к аналогичным  выводам, построил действующий мазер, подтвердивший предсказания П. и  Басова. Таунс использовал резонансную  камеру, заполненную возбужденными  молекулами аммиака, и получил необычайно сильное усиление микроволн на частоте 24000 мегагерц. В 1960 г. трехуровневый  метод был подтвержден американским физиком Теодором Мейменом, работавшим в компании «Хьюз эйркрафт». Он получил  усиление световых волн, используя  в качестве резонансной камеры длинный  кристалл синтетического рубина, на который  была навита спиральная трубка с газом  ксеноном. Газовый разряд сопровождался  вспышками, способными вызвать индуцированное излучение. Поскольку Меймен использовал  свет, его прибор получил название

«лазер» (аббревиатура из первых букв английских слов: усиление света  с помощью индуцированного (стимулированного) излучения – light amplification by. stimulated emission of radiation).

Будучи директором лаборатории  колебаний в институте им. П.Н. Лебедева (с

1954 г.), П. создает две  новые лаборатории – радиоастрономии  и квантовой радиофизики. Он  консультирует многочисленные научно-исследовательские  институты по проблемам квантовой  электроники и организует лабораторию  радиоспектроскопии в Научно-исследовательском  институте ядерных исследований  при Московском государственном  университете, профессором которого  П. становится в 1957 г.

С середины 50-х гг. П. сосредоточивает  усилия на разработке мазеров и лазеров  и на поиске кристаллов с подходящими  спектральными и релаксационными  свойствами. Проведенные им подробные  исследования рубина, одного из лучших кристаллов для лазеров, привели  к широкому распространению рубиновых  резонаторов для микроволновых  и оптических длин волн. Чтобы преодолеть некоторые трудности, возникшие  в связи с созданием молекулярных генераторов, работающих в субмиллиметровом диапазоне, П. предлагает новый открытый резонатор, состоящий из двух зеркал. Этот тип резонатора оказался особенно эффективным при создании лазеров  в 60-е гг.

Нобелевская премия по физике 1964 г. была разделена: одна половина ее присуждена П. и Басову, другая –  Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов  и усилителей на основе принципа мазера – лазера».

Находясь на посту заместителя  директора Физического института  АН СССР им.

П.Н. Лебедева с 1973 г., П. продолжает расширять исследование по физике лазеров, в том числе по их применению для  изучения многоквантовых процессов  и термоядерного синтеза.

П. женат на Галине Алексеевне Шелепиной, географе по специальности, с

1941 г. У них один сын.

В 1960 г. П. избирают членом-корреспондентом, в 1966 т. – действительным членом и  в 1970 г. – членом президиума АН СССР. Он почетный член

Американской академии наук и искусств. В 1969 г. он был назначен главным редактором Большой Советской  Энциклопедии. П. почетный профессор  университетов Дели (1967) и Бухареста (1971). Советское правительство присвоило  ему звание Героя Социалистического  Труда (1969).

 

2.4. ФРАНК, Илья

23 октября 1908 г. – 22 июня 1990 г.

Нобелевская премия по физике, 1958 гсовместно с Павлом Черенковым и

Игорем Таммом

 

 

Русский физик Илья Михайлович Франк родился в Санкт-Петербурге. Он был младшим сыном Михаила  Людвиговича Франка, профессора математики, и

Елизаветы Михайловны Франк. (Грациановой), по профессии физика. В 1930 г. он закончил Московский государственный  университет по специальности

«физика», где его учителем был С.И. Вавилов, позднее президент  Академии наук СССР, под чьим руководством Ф. проводил эксперименты с люминесценцией и ее затуханием в растворе. В  Ленинградском государственном  оптическом институте Ф. изучал фотохимические реакции оптическими средствами в лаборатории А.В. Теренина. Здесь  его исследования обратили на себя внимание элегантностью методики, оригинальностью  и всесторонним анализом экспериментальных  данных. В 1935 г. на основе этой работы он защитил диссертацию и получил  степень доктора физико-математических наук.

По приглашению Вавилова в 1934 г. Ф. поступил в Физический институт им.

П.Н. Лебедева АН СССР в Москве, где и работал с тех пор. Вавилов настаивал, чтобы Ф. переключился на атомную физику. Вместе со своим  коллегой

Л.В. Грошевым Ф. провел тщательное сравнение теории и экспериментальных  данных, касающееся недавно открытого  явления, которое состояло в возникновении  электронно-позитронной пары при  воздействии гамма-излучения на криптон.

Примерно в это же время  Павел Черенков, один из аспирантов Вавилова в

Институте им. Лебедева, начал  исследование голубого свечения (позднее  названного излучением Черенкова или  излучением Вавилова – Черенкова), возникающего в преломляющих средах под воздействием гамма-лучей. Черенков показал, что это излучение не было еще одной разновидностью люминесценции, но он не мог объяснить его теоретически. В 1936...1937 гг. Ф. и Игорь Тамм сумели вычислить свойства электрона, равномерно движущегося в некоторой среде  со скоростью, превышающей скорость света в этой среде (нечто напоминающее лодку, которая движется по воде быстрее, чем создаваемые ею волны). Они  обнаружили, что в этом случае излучается энергия, а угол распространения  возникающей волны просто выражается через скорость электрона и скорость света в данной среде и в  вакууме.

Одним из первых триумфов теории Ф. и Тамма было объяснение поляризации  излучения Черенкова, которая, в  отличие от случая люминесценции, была параллельна падающему излучению, а не перпендикулярна ему. Теория казалась столь удачной, что Ф., Тамм и Черенков экспериментально проверили  некоторые ее предсказания, такие, как  наличие некоторого энергетического  порога для падающего гамма-излучения, зависимость этого порога от показателя преломления среды и форма  возникающего излучения (полый конус  с осью вдоль направления падающего  излучения). Все эти предсказания подтвердились. В знак признания  этой работы Ф. в 1946 г. был избран членом-корреспондентом

АН СССР и вместе с Таммом, Черенковым и Вавиловым был награжден

Государственной премией  СССР.

Трое здравствующих членов этой группы (Вавилов умер в 1951 г.) были в

1958 г. награждены Нобелевской  премией по физике «за открытие  и истолкование эффекта Черенкова». В своей Нобелевской лекции  Ф. указывал, что эффект Черенкова  «имеет многочисленные приложения  в физике частиц высокой энергии». «Выяснилась также связь между  этим явлением и другими проблемами, – добавил он, – как, например, связь с физикой плазмы, астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн  и проблемой ускорения частиц».

Исследование Ф. эффекта  Черенкова знаменовало начало его  длительного интереса к влиянию  оптических свойств среды на излучение  движущегося источника; одна из его  статей об излучении Черенкова появилась  уже в

1980 г. Одним из наиболее  важных вкладов Ф. в эту область  была теория переходного излучения,  которую он сформулировал вместе  с советским физиком

В.Л. Гинзбургом в 1945 г. Этот вид  излучения возникает из-за перестройки  электрического поля равномерно движущейся частицы, когда она пересекает границу  между двумя средами, обладающими  разными оптическими свойствами.

Хотя эта теория была позднее  проверена экспериментально, некоторые  из ее важных следствий не удавалось  обнаружить лабораторным путем еще  более десятка лет.

Кроме оптики, среди других научных интересов Ф., особенно во время второй мировой войны, можно  назвать ядерную физику. В середине 40-х гг. он выполнил теоретическую  и экспериментальную работу по распространению  и увеличению числа нейтронов  в уран-графитовых системах и таким  образом внес свой вклад в создание атомной бомбы. Он также обдумал  экспериментально возникновение нейтронов  при взаимодействиях легких атомных  ядер, как и при взаимодействиях  между высокоскоростными нейтронами и различными ядрами.

В 1946 г. Ф. организовал лабораторию  атомного ядра в Институте им.

Лебедева и стал ее руководителем. Будучи с 1940 г. профессором Московского  государственного университета, Ф. с 1946 по 1956 г. возглавлял лабораторию радиоактивного излучения в Научно-исследовательском  институте ядерной физики при  МГУ.

Год спустя под руководством Ф. была создана лаборатория нейтронной физики в Объединенном институте  ядерных исследований в Дубне. Здесь  в 1960 г. был запущен импульсный реактор  на быстрых нейтронах для спектроскопических нейтронных исследований. В 1977 г. вошел  в строй новый и более мощный импульсный реактор.

Коллеги считали, что Ф. обладал  глубиной и ясностью мышления, способностью вскрывать существо дела самыми элементарными  методами, а также особой интуицией  в отношении самых труднопостигаемых  вопросов эксперимента и теории. Его  научные статьи чрезвычайно ценятся  за ясность и логическую четкость.

В 1937 г. Ф. женился на Элле Абрамовне Бейлихис, видном историке. Их единственный ребенок, Александр, стал специалистом по нейтронной физике.

Ф. получил многочисленные награды Советского правительства, включая

Ленинскую премию, два ордена Ленина, орден Трудового Красного Знамени, орден Октябрьской Революции, а также золотую медаль Вавилова Академии наук

СССР. Он был избран академиком АН СССР в 1968 г.

 

2.5. ЧЕРЕНКОВ, Павел

 

28 июля 1904 г. – 6 января 1990 г.

Нобелевская премия по физике, 1958 г.совместно с Ильей Франком  и Игорем

Таммом

 

 

Русский физик Павел Алексеевич Черенков родился в Новой Чигле  вблизи

Воронежа. Его родители Алексей  и Мария Черенковы были крестьянами. Окончив в 1928 г. физико-математический факультет Воронежского университета, он два года работал учителем. В 1930 г. он стал аспирантом Института физики и математики АН СССР в Ленинграде и получил кандидатскую степень  в 1935 г.

Затем он стал научным сотрудником  Физического института им. П.Н. Лебедева в

Москве, где и работал  в дальнейшем.

В 1932 г. под руководством академика  С.И. Вавилова Ч. начал исследовать  свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии, например излучения радиоактивных  веществ. Ему удалось показать, что  почти во всех случаях свет вызывался  известными причинами, такими, как флуоресценция. При флуоресценции падающая энергия  возбуждает атомы или молекулы до более высоких энергетических состояний (согласно квантовой механике, каждый атом или молекула обладает характерным  множеством дискретных энергетических уровней), из которых они быстро возвращаются на более низкие энергетические уровни. Разность энергий более высокого и более низкого состояний  выделяется в виде единицы излучения  – кванта, частота которого пропорциональна  энергии. Если частота принадлежит  видимой области, то излучение проявляется  как свет. Поскольку разности энергетических уровней атомов или молекул, через  которые проходит возбужденное вещество, возвращаясь в самое низкое энергетическое состояние (основное состояние), обычно отличаются от энергии кванта падающего  излучения, эмиссия из поглощающего вещества имеет другую частоту, чем  у порождающего ее излучения. Обычно эти частоты ниже.