Читаем без скачивания В поисках чуда (с илл.) - Лев Бобров

Известно, что железо можно намагнитить. Потом оно надолго сохранит волшебную притягательную силу. Но есть материалы, которые обретают ее лишь на тот срок, пока находятся в магнитном поле.

Будучи удалены из него, они сразу же утрачивают это свойство. К таким «калифам на час» относятся и парамагнетики. Именно их исследовал тогда в Казани Евгений Константинович Завойский.

Делая виток за витком по околоядерной орбите да еще и вращаясь к тому же вокруг своей оси, подобно нашей планете, электроны ведут себя как крошечные магнитики. Если они полностью гасят действие друг друга, то общий результат получается нулевым. Если не полностью, то у атома налицо собственный магнетизм, который, однако, отсутствует у вещества в целом: ведь оно состоит из бесчисленного множества частиц, а те расположены неупорядоченно, кто как, так что суммарный эффект оказывается опять-таки нулевым, хотя слагаемые по отдельности нулю не равны. Вот если бы атомы повернулись в одну сторону, будто стрелки компаса, тогда другое дело. Внешнее магнитное поле как раз и заставляет их поступить таким образом.

Пусть в атоме все магнитные силы, обусловленные вращением электронов вокруг ядра, скомпенсированы. А спиновые не все: один электрон не нашел себе пары. Но его спин (осевое вращение) придает частице свойства волчка. А значит, и гироскопическую устойчивость, упрямое желание сохранить свое положение в пространстве неизменным. Что же произойдет? Примерно то же, что с детской юлой на гладком полу: накренившись, она не падает под действием земного притяжения, только ось ее начинает неспешно бродить по кругу, описывая коническую поверхность около вертикали, исходящей из точки опоры.

Такой «танец» называется прецессией. Атом в магнитном поле тоже начинает выделывать бесконечные пируэты вокруг силовой линии, разве что стоит он на воображаемом пуанте — под ним нет пола, он взвешен в пространстве. Благодаря такому круговращению создается дополнительный, наведенный магнетизм — он тоже вступает в игру противоборствующих сил, причем частица стремится занять такое положение, когда энергия ее электронов минимальна. Это состояние наиболее выгодно; достигается же оно лишь в случае, если «стрелка» микрокомпаса смотрит в ту же сторону, что и внешнее поле.

Пусть теперь включено еще одно магнитное поле — перпендикулярное первоначальному, причем более слабое. Будь оно тоже статическим, его влияние почти не проявлялось бы. Но оно переменное.

Если эти регулярные колебания будут «трясти» каждый «волчок» несогласованно с его движением, такие толчки просто погасят друг друга и почти не исказят картину прецессии. Если же они действуют в такт, в резонанс с ней, значит они неотступно преследуют кружащуюся магнитную «стрелку», стремясь отклонить ее на все больший угол от оси вращения. Уступая столь настойчивому «нажиму», частица может повернуться против поля (статичного).

Иными словами, перейти в возбужденное состояние.

Если таких переходов много, то они сопровождаются поглощением энергии. Чтобы наблюдать этот эффект, очевидно, нужно синхронизировать оба колебательных процесса. Как? Можно, конечно, изменять периодичность переменного поля, однако Завойский поступил иначе: он подгонял к ней ритм самой прецессии, плавно варьируя напряженность поля постоянного. Так удобнее: ведь ток в обмотке электромагнита легко усилить или ослабить — достаточно покрутить ручку-регулятор. Генератор же колебаний обычно настроен на строго определенную частоту; зачем же сбивать его с заданного режима? Напротив, чем стабильнее он работает, тем лучше. Но вот резонанс достигнут. На зеленоватой светящейся черточке, пересекающей экран осциллографа, тотчас появляются всплески: поглощение энергии парамагнетиком резко возрастает! К этому, собственно, и сводится электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), обнаруженный Е. К. Завойским в 1944 году. Открытие Евгения Константиновича отмечено Ленинской премией.

Явление ЭПР широко используется в радиоспектроскопии. Почему «спектроскопии»? Почему «радио»?

По той простой причине, что переменное магнитное поле в исследовательской практике заставляют колебаться с частотами радиодиапазона. Собственно, здесь имеют дело с радиоволнами. Их поглощение измеряется особым прибором, который вычерчивает спектр ЭПР — кривую с резким скачкообразным изгибом, соответствующим резонансу и, что очень важно, характерным для каждого вещества. Именно этим методом А. М. Прохоров и его аспирант А. А. Маненков изучили широкий круг кристаллов на предмет их годности в качестве сердечника для квантовых приборов. Так в 1955 году впервые были выявлены многообещающие способности рубина, который впоследствии сделался мировой знаменитостью: ведь именно он стал рабочим телом первого лазера. Он же применяется в парамагнитных усилителях. Одну из таких установок создали профессор М. Е. Жаботинский и А. В. Францессон. Оригинальные конструктивные решения позволили резко уменьшить габариты основных узлов. Магнит «исхудал» до килограмма — его вес в.90 раз меньше, чем у равномощного усилителя фирмы Белл, слывшего лучшим в мире. Такая миниатюризация сократила и расход охладителя — сжиженного гелия. Установка Жаботинского и Францессона по своим техническим характеристикам покамест вне конкуренции: ею оборудован большой радиотелескоп Пулковской обсерватории. А на радиоастрономической станции ФИАН в Пущино (близ Серпухова) вслушивается в космические радиошорохи другой парамагнитный усилитель, с еще меньшим магнитом, — он разработан коллективом ученых под руководством А. М. Прохорова.

В радиоспектроскопии используется и ЯМР — ядерный магнитный резонанс (ядро ведь тоже малюсенький магнитик), но он в тысячи раз слабее ЭПР.

Есть и другие виды резонанса. Разумеется, микроволновая спектроскопия и в отсутствие магнитного поля изучает поглощение радиоволн различными веществами — в основном газообразными. К тому же разреженными. При переходе их в конденсированное состояние взаимодействие между тесно сблизившимися молекулами становится настолько сильным, что спектральные линии, достаточно резкие для независимых частиц, расплываются, утрачивают четкость.

Тут-то и приходят на выручку магнитные свойства тел. Только упорядочив ориентацию «микроволчков» и организовав их прецессию с помощью постоянного поля, а затем подогнав ее частоту к той, на которой работает генератор электромагнитного излучения, Завойский резко усилил эффект и получил четкую картину поглощения.

Своим расцветом в СССР радиоспектроскопия во многом обязана усилиям Прохорова и «прохоровцев».

Вскоре после войны Александр Михайлович, возглавив группу молодых искателей, вплотную приступает к фронтальной разведке в этой новой тогда области.

Малоизученная, неустоявшаяся, она манила к себе неизведанными возможностями. И надо сказать, чутье не обмануло Прохорова.

В 1948 году в лабораторию колебаний ФИАНа поступает новый сотрудник. Ему двадцать шесть. Он еще учится в Московском механическом институте, и для Александра Михайловича он долгие годы просто Коля (впрочем, самому Александру Михайловичу чуть больше 30). Минет каких-нибудь пять лет — и недавний студент, досрочно получив диплом, защитит кандидатскую диссертацию, выполненную под руководством доктора физико-математических наук А. М. Прохорова. Собственно, во всем этом нет ничего особенного; молодость наших научных кадров, сочетание учебы с работой, увлеченность, не оставляющая ни минуты для «блаженного ничегонеделанья», быстрое признание заслуг учеников учителями — вещи вполне ординарные в советских исследовательских учреждениях.

Ничего необычного для нас нет и в том, что Басов в свои 20 лет уже изведал горечь военных страданий. Выпускник фельдшерской школы, он вдоволь натерпелся всего, чем памятен фронт, наслушался артиллерийской канонады и стонов раненых, а приняв участие в демонтаже заводов, где германские концерны фабриковали смертоносные химикалии для гитлеровских душегубок, перенес тяжелое отравление, едва не стоившее ему жизни. Сколько ученых, сколько будущих Прохоровых не вернулось в свои лаборатории? Сколько будущих Басовых, еще не начав путь в науке, осталось навсегда лежать на полях сражений? А разбомбленные институты, сожженные библиотеки, муки оккупации, невзгоды эвакуации, мобилизация всех людских и материальных ресурсов для нужд обороны и затем на восстановление хозяйства, на ликвидацию чудовищной разрухи — имеют ли обо. всем этом отчетливое представление американские и канадские коллеги советских физиков, создавшие квантовый генератор, как принято писать, «одновременно и независимо»?

Не в тепличных условиях зрели многие замечательные идеи советской науки, в том числе идея лазера.

В военное время, начиная с 1942 года, советский ученый В. Л. Гинзбург, а вслед за ним и американец Ван-Флек опубликовали серию работ, где доказали, что сантиметровые волны должны ослабляться парами воды, в изобилии наполняющими атмосферу.