Теория излучения электрона Игоря Тамма

     Изучение биографических данных и научной деятельности Игоря Тамма (1,8,9,10, 17,18), позволяет нам судить о нём как о выдающемся учёном XX века. 

      8июля 2008 г. исполняется 113 лет со дня рождения Игоря Евгеньевича Тамма, лауреата Нобелевской премии по физике 1958 года.
Работы Тамма посвящены классической электродинамике, квантовой теории, физике твердого тела, оптике, ядерной физике, физике элементарных частиц, проблемам термоядер­ного синтеза.
Будущий великий физик родился в 1895 году во Владивостоке. Удивительно, но в юные годы Игоря Тамма политика интересовала гораздо больше, чем наука. Гимназистом он буквально бредил революцией, ненавидел царизм и считал себя убежденным марксистом. Даже в Шотландии, в Эдинбургском университете, куда его отправили родители беспокоясь за дальнейшую судьбу сына, молодой Тамм продолжал штудировать труды Карла Маркса и участвовать в политических митингах.
С 1924 по 1941 г. Тамм работал в Московском Университете (с 1930 г - профес­сор, заведующий кафедрой теоретической физики); в 1934 году Тамм стал руководителем теоретического отдела Физического института АН СССР (ныне этот отдел носит его имя); в 1945 году он организовал Московский инженерно-физический институт, где ряд лет был заведующим  кафедрой.

В этот период своей научной деятельности Тамм создал полную квантовую теорию рассеяния света в кристаллах (1930), для чего осуществил квантование не только световых, но и упругих волн в твердом теле, введя понятие фононов - звуковых квантов; совместно с        С.П.Шубиным заложил основы квантовомеханической теории фотоэффекта в металлах (1931); дал последовательный вывод формулы Клейна-Нишины для рассеяния света на электроне (1930); применив квантовую механику показал возможность существования особых состоя­ний электронов на поверхности кристалла (уровни Тамма) (1932); построил совместно с Д.Д. Иваненко одну из первых полевых теорий ядерных сил (1934), в которой впервые была показана возможность переноса взаимодействий частицами конечной массы; вместе с Л.И. Мандельштамом дал более общую трактовку соотношению неопределенностей Гейзенберга в терминах "энергия-время" (1934).                                                                           

      В 1937 году Игорь Евгеньевич вместе с Франком развил теорию излучения электрона, движущегося в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде - теорию эффекта Вавилова-Черенкова - за что спустя почти десятилетие был удостоен Ленин­ской премии (1946), и более чем два - Нобелевской премии (1958). Одновременно с Таммом Нобелевскую премию получили И.М. Франк и П.А. Черенков, и это был первый случай, когда советские физики стали Нобелевскими лауреатами. Правда, следует отметить, что сам Игорь Евгеньевич считал, что получил премию не за самую лучшую свою работу. Он даже хотел отдать премию государству, но ему ответили, что в этом нет необходимости.
В последующие годы Игорь Евгеньевич продолжал заниматься проблемой взаимодейст­вия релятивистских частиц, стремясь построить теорию элементарных частиц, включающую элементарную длину. Академик Тамм создал блестящую школу физиков-теоретиков.  

      К ней можно отнести таких выдающихся физиков как В.Л.Гинзбург, М.А.Марков, Е.Л. Фейнберг, Л.В.Келдыш, Д.А.Киржниц и др.

         2.3. Франк Илья Михайлович

Обобщив сведения о замечательном учёном И.Франке (1, 8, 17, 20), мы узнали следующее:

   Франк Илья Михайлович (23 октября 1908 г. – 22 июня 1990 г.) – российский ученый, лауреат Нобелевской премии по физике (1958 г.) совместно с Павлом Черенковым и Игорем Таммом.
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 Франк проводил эксперименты с люминесценцией и ее затуханием в растворе. В Ленинградском государственном оптиче­ском институте Франк 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. Франк поступил в Физический институт им. П.Н. Лебедева АН СССР в Москве, где и работал с тех пор. Вместе со своим коллегой Л.В. Грошевым Франк провел тщательное сравнение теории и экспериментальных данных, касающееся недавно открытого явления, которое состояло в возникновении электронно-позитронной пары при воздействии гамма-излучения на криптон. В 1936-1937 гг. Франк 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 Франк 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 Франк, 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.

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 Франк 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».
Кроме оптики, среди других научных интересов Франк, 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. Франк организовал лабораторию атомного ядра в Институте им. Лебедева и стал ее руководителем. Будучи с 1940 г. профессором Московского государственного универси­тета, Франк с 1946 по 1956 г. возглавлял лабораторию радиоактивного излучения в Научно-исследовательском институте ядерной физики при Московском гос. университете.
Год спустя под руководством Франк 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 1977г. вошел в строй новый и более мощный импульсный реактор.
Коллеги считали, что Франк 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.

    3. Лев Ландау – создатель теории сверхтекучести гелия

    Сведения о гениальном учёном мы получили Интернет-источников и научно-биографических справочников (5,14, 17, 18), которые свидетельствуют, что советский физик Лев Давидович Ландау родился в семье Давида и Любови Ландау в Баку. Его отец был известным инженером-нефтяником, работавшим на местных нефтепромыслах, а мать – врачом. Она занималась физиологическими исследованиями.

    Хотя учился Ландау в средней школе и блестяще окончил ее, когда ему было тринадцать лет, родители сочли, что он слишком молод для высшего учебного заведения, и послали его на год в Бакинский экономический техникум.

    В 1922 г. Ландау поступил в Бакинский университет, где изучал физику и химию; через два года он перевелся на физический факультет Ленинградского университета. Ко времени, когда ему исполнилось 19 лет, Ландау успел опубликовать четыре научные работы. В одной из них впервые использовалась матрица плотности – ныне широко применяемое математическое выражение для описания квантовых энергетических состояний. По окончании университета в 1927 г. Ландау поступил в аспирантуру Ленинградского физико-технического института, где он работал над магнитной теорией электрона и квантовой электродинамикой.

С 1929 по 1931 г. Ландау находился в научной командировке в Германии, Швейцарии, Англии, Нидерландах и Дании.

В 1931 г. Ландау возвратился в Ленинград, но вскоре переехал в Харьков, бывший тогда столицей Украины. Там Ландау становится руководителем теоретического отдела Украинского физико-технического института. Академия наук СССР присудила ему в 1934 г. ученую степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации, а в следующем году он получает звание профессора. Ландау внес большой вклад в квантовую теорию и в исследования природы и взаимодействия элементарных частиц.

Необычайно широкий диапазон его исследований, охватывающих почти все области теоретической физики, привлек в Харьков многих высокоодаренных студентов и молодых ученых, в том числе Евгения Михайловича Лифшица, ставшего не только ближайшим сотрудником Ландау, но и его личным другом.

В 1937 г. Ландау по приглашению Петра Капицы возглавил отдел теоретической физики во вновь созданном Институте физических проблем в Москве. Когда Ландау переехал из Харькова в Москву, эксперименты Капицы с жидким гелием шли полным ходом.

Учёный объяснил сверхтекучесть гелия, используя принципиально новый математический аппарат. В то время как другие исследователи применяли квантовую механику к поведению отдельных атомов, он рассмотрел квантовые состояния объема жидкости почти так же, как если бы та была твердым телом. Ландау выдвинул гипотезу о существовании двух компонент движения, или возбуждения: фононов, описывающих относительно нормальное прямолинейное распространение звуковых волн при малых значениях импульса и энергии, и ротонов, описывающих вращательное движение, т.е. более сложное проявление возбуждений при более высоких значениях импульса и энергии. Наблюдаемые явления обусловлены вкладами фононов и ротонов и их взаимодействием.

Авторами реферата установлено, что Ландау принимал участие и в создании атомной бомбы в Советском Союзе.

Помимо Нобелевской и Ленинской премий Ландау были присуждены три Государственные премии СССР. Ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда. В 1946 г. он был избран в Академию наук СССР. Своим членом его избрали академии наук Дании, Нидерландов и США, Американская академия наук и искусств. Французское физическое общество, Лондонское физическое общество и Лондонское королевское общество.

    4. Изобретатели оптического квантового генератора

      4.1. Николай Басов

    Нами было выявлено (3, 9, 14), что русский физик Николай Геннадиевич Басов родился в деревне (ныне городе) Усмань, вблизи Воронежа, в семье Геннадия Федоровича Басова и Зинаиды Андреевны Молчановой. Его отец, профессор Воронежского лесного института, специализировался на влиянии лесопосадок на подземные воды и поверхностный дренаж. Окончив школу в 1941 г., молодой Басов пошел служить в Советскую Армию. В 1950 г. он окончил Московский физико-технический институт.

      На Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г. Басов и Прохоров предложили конструкцию молекулярного генератора, основанного на инверсной заселенности, идею которого они, однако, не публиковали до октября 1954 г. В следующем году Басов и Прохоров опубликовали заметку о «трехуровневом методе». Согласно этой схеме, если атомы перевести из основного состояния на наиболее высокий из трех энергетических уровней, на промежуточном уровне окажется большее число молекул, чем на нижнем, и можно получить индуцированное излучение с частотой, соответствующей разности иииииииииииииииииииииэнергий между двумя более низкими уровнями. «За фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе», Басов разделил в 1964 г. Нобелевскую премию по физике с Прохоровым и Таунсом. Два советских физика уже получили к тому времени за свою работу Ленинскую премию в 1959 г.

     Кроме Нобелевской премии, Басов получил звание дважды Героя Социалистического Труда (1969, 1982), награжден золотой медалью Чехословацкой академии наук (1975). Он был избран членом-корреспондентом АН СССР (1962), действительным членом (1966) и членом Президиума АН (1967). Он состоит членом многих других академий наук, включая академии Польши, Чехословакии, Болгарии и Франции; он также является членом Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина», Шведской королевской академии инженерных наук и Американского оптического общества. Басов является вице-председателем исполнительного совета Всемирной федерации научных работников и президентом Всесоюзного общества «Знание». Он является членом Советского комитета защиты мира и Всемирного Совета Мира, а также главным редактором научно-популярных журналов «Природа» и «Квант». Был избран в Верховный Совет в 1974 г., был членом его Президиума в 1982 г.

4.2. Александр Прохоров

    Историографический подход к изучению жизни и деятельности знаменитого физика (1,8,14, 18) позволил нам получить следующие сведения.

    Русский физик Александр Михайлович Прохоров, сын Михаила Ивановича Прохорова и Марии Ивановны (в девичестве Михайловой) Прохоровой, родился в Атертоне (Австралия), куда его семья перебралась в 1911 г. после побега родителей Прохорова из сибирской ссылки.

      Прохоров 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.

     Прохоров 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.

     С середины 50-х гг. Прохоров 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 Прохорову и Басову, другая – Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера» (1). В 1960 г. Прохорова 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. Прохоров почетный профессор университетов Дели (1967) и Бухареста (1971). Советское правительство присвоило ему звание Героя Социалистического Труда (1969).

          5. Пётр Капица как один из величайших физиков-экспериментаторов

Большой интерес при реферировании статей (4, 9, 14, 17) вызвали у нас жизненный путь и научные изыскания великого российского физика Петра Леонидовича Капицы.

Он родился в Кронштадте военно-морской крепости, расположенной на острове в Финском заливе неподалеку от Санкт-Петербурга, где служил его отец Леонид Петрович Капица, генерал-лейтенант инженерного корпуса. Мать Капица Ольга Иеронимовна Капица (Стебницкая) была известным педагогом и собирательницей фольклора. По окончании гимназии в Кронштадте Капица поступил на факультет инженеров-электриков Петербургского политехнического института, который окончил в 1918 г. Следующие три года он преподавал в том же институте.    Под руководством А.Ф. Иоффе, первым в России приступившего к исследованиям в области атомной физики, Капица вместе со своим однокурсником Николаем Семеновым разработал метод измерения магнитного момента атома в неоднородном магнитном поле, который в 1921 г. был усовершенствован Отто Штерном.

В Кембридже научный авторитет Капица быстро рос. Он успешно продвигался по ступеням академической иерархии. В 1923 г. Капица стал доктором наук и получил престижную стипендию Джеймса Клерка Максвелла. В 1924 г. он был назначен заместителем директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям, а в 1925 г. стал членом Тринити-колледжа. В 1928 г. Академия наук СССР присвоила Капица ученую степень доктора физико-математических наук и в 1929 г. избрала его своим членом-корреспондентом. В следующем году Капица становится профессором-исследователем Лондонского королевского общества. По настоянию Резерфорда Королевское общество строит специально для Капица новую лабораторию. Она была названа лабораторией Монда в честь химика и промышленника германского происхождения Людвига Монда, на средства которого, оставленные по завещанию Лондонскому королевскому обществу, была построена. Открытие лаборатории состоялось в 1934 г. Ее первым директором стал Капица Но ему было суждено там проработать всего лишь один год.

В 1935 г. Капица предложили стать директором вновь созданного Института физических проблем Академии наук СССР, но прежде, чем дать согласие, Капица почти год отказывался от предлагаемого поста. Резерфорд, смирившись с потерей своего выдающегося сотрудника, позволил советским властям купить оборудование лаборатории Монда и отправить его морским путем в СССР. Переговоры, перевоз оборудования и монтаж его в Институте физических проблем заняли несколько лет.

Капица был удостоен Нобелевской премии по физике в 1978 г. «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Свою награду он разделил с Арно А. Пензиасом и Робертом В. Вильсоном. Представляя лауреатов, Ламек Хультен из Шведской королевской академии наук заметил: «Капица предстает перед нами как один из величайших экспериментаторов нашего времени, неоспоримый пионер, лидер и мастер в своей области».

Капица был удостоен многих наград и почетных званий как у себя на родине, так и во многих странах мира. Он был почетным доктором одиннадцати университетов на четырех континентах, состоял членом многих научных обществ, академии Соединенных Штатов Америки, Советского Союза и большинства европейских стран, был обладателем многочисленных наград и премий за свою научную и политическую деятельность, в том числе семи орденов Ленина.