В августе 1906 г. Иоффе приехал в Россию и увидел воочию отход интеллигенции от революции. Иоффе считал, что в такое время он не имеет права быть вдали от Родины и заниматься одной физикой. Абрам Федорович написал Рентгену, что не вернется, что совесть не позволяет ему оставить родину в то время, когда торжествует реакция. Такое нарушение всех правил и служебных обязанностей (он был штатным ассистентом и выдвигался Рентгеном на профессуру) возмутило Рентгена, но к чести его надо сказать, что он вскоре признал правомерность побуждений Иоффе. Их научное общение и совместная работа продолжались вплоть до 1914 г.
Петербург встретил Иоффе сурово. Это был период разгула столыпинской реакции. После долгих поисков работы с докторским дипломом на руках он устроился внештатным лаборантом на кафедру физики Петербургского политехнического института. Только спустя два года, 1 апреля 1908 г., Абрам Федорович был утвержден штатным старшим лаборантом.
А. Ф. Иоффе принадлежал к тем ученым, которые жили и работали в знаменательный период, характеризующийся глубокими революционными переворотами в естествознании и обществе.
В 1895 г. были открыты Рентгеном новые лучи, в 1896 г. — Беккерелем радиоактивность, в 1898 г. Дж. Дж. Томсон убедительно доказал реальное существование электрона, измерил его удельный заряд и т. д.
Открытия сыпались одно за другим. Объяснения многих из них не укладывались в рамки классической физики. Появились теоретические работы Макса Планка и Нильса Бора, заложившие основы новых квантовых представлений о природе и света и вещества. Родилась и набирала силы теория относительности Эйнштейна. К. Максвелл, Л. Больцман, М. Смолуховский заложили основы физической статистики. Э. Резерфорд и Н. Бор разработали планетарную модель атома. Об этом периоде, который метко назван В. И. Лeниным «кризисом» в физике, советский ученый Я. И. Френкель говорил: «...я видел сам, с каким грохотом столкнулась новая физика со старой... У меня было такое ощущение, что оболочка уютного мира, в котором мы жили так долго, разрушилась и упала под ударами новой науки. И я увидел за ней нечто такое, чего мой разум не в состоянии был охватить... Я испытал незабываемое ощущение — чувство восторга и, если хотите, какого-то страха». Многим ученым казалось, что наука зашла в тупик. Выход из создавшегося положения был указан В. И. Лениным в его гениальной книге «Материализм и эмпириокритицизм».
Несмотря на то что физика переживала величайшую революцию в своей истории, участие русских ученых в этих событиях было весьма скромным. Судьба физической науки в России была иной, чем на Западе. Богатые промышленники не были заинтересованы в ее развитии, считая физику «чистой» наукой, совершенно бесполезной для производства. Царское самодержавие вообще не понимало роли науки в развитии общества. Передовые ученые не раз выступали в печати, стремясь привлечь внимание царского правительства и широкой общественности к нуждам российской науки, к острой необходимости ее быстрейшего развития. В частности, известный московский физик, профессор Н. А. Умов писал: «Политическое значение нации может быть прочным при условии, что культурный ее уровень соответствует ее политическому подъему. В наше время оружие, мужество не являются единственными факторами, обеспечивающими успех в борьбе народов за свое развитие и существование... Мы, к сожалению, до сих пор большею частью перенимаем и заимствуем и очень мало вкладываем в культурную жизнь человечества».
Физику относили к числу университетских наук. Известно, что для проведения экспериментальных исследований были необходимы специально оборудованные лаборатории, оснащенные современными приборами. Однако во всей России их насчитывалось меньше десятка, а оборудование было таким скудным, что ни о каких самостоятельных научных исследованиях не могло быть и речи. Большинство университетских профессоров привыкло к сложившейся традиции. Самым высоким научным достижением считалось повторение эксперимента, описанного в «Лондонском философском журнале».
В условиях равнодушия со стороны царского правительства к развитию науки особенно героической представляется деятельность небольшой группы московских физиков под руководством П. Н. Лебедева. Это была первая в России физическая школа, сыгравшая историческую роль в развитии отечественной науки. Лаборатория П. Н. Лебедева ютилась в подвальном помещении, не было специальных мастерских. Вся тончайшая, уникальная аппаратура, которая понадобилась для определения светового давления, была сделана самим руководителем и его учениками. Научный коллоквиум П. Н. Лебедева посещался многими учеными разного профиля и внес большое оживление в научную жизнь Москвы.
Совершенно иначе развивалась физика в Петербургском университете. Вспоминая об этом периоде, А. Ф. Иоффе писал, что профессора и преподаватели высших школ обладали обширной эрудицией, но мало внимания уделяли творческой деятельности. Одним из тех, кто отважился нарушить установившиеся правила в университете, был Дмитрий Сергеевич Рождественский. Он совершенно самостоятельно провел свою научно-исследовательскую работу по аномальной дисперсии в парах натрия, получившую впоследствии всеобщее признание. Нетрудно представить себе ту обстановку, в которой пришлось работать ученому.
«Вестником бури», «начиненным» физическими идеями вернулся А. Ф. Иоффе в Россию. Его натуре не свойственно было механическое повторение ни в чем, поэтому совершенно понятно, что роль воспроизводящего чужие научные работы его не устраивала. Молодой экспериментатор решил самостоятельно проводить научную работу. Ей он уделял все свободное от преподавания время. Со стороны заведующего кафедрой физики политехнического института В. В. Скобельцына Иоффе встретил активную поддержку. Сначала Абрам Федорович работал один, но вскоре около него образовалась небольшая группа энтузиастов. В нее входили сотрудники того же института И. С. Щегляев, А. И. Тудоровский, Ф. А. Миллер. Участие в работе группы не было заказано и студентам. Руководил работой А. Ф. Иоффе. Какие же научные проблемы были выдвинуты руководителем? Как только предоставилась возможность самостоятельно выбирать направления научных исследований, Абрам Федорович посвятил их следующим темам: дальнейшему изучению свойств диэлектриков и экспериментальному обоснованию квантовой природы света и атомного строения электричества.
Как видим, выбор тематики научных исследований у молодого физика не был случайным. Он обусловлен сочетанием двух факторов:
1. Влияние главной научной идеи учителя о взаимодействии вещества и поля.
2. Личный интерес ученого к проблеме мирового эфира, возникший еще в школьные годы.
Значительная часть исследований свойств диэлектриков проводилась Иоффе в Петербурге совместно с сотрудниками, другая часть исследований — в Мюнхене с Рентгеном. Дважды в год Абрам Федорович встречался со своим учителем для обсуждения полученных результатов. Был собран большой материал, но судьба его оказалась довольно трагичной, так как между авторами работы возникали постоянные конфликты: Рентген требовал простого описания опытных фактов, а Иоффе стремился изложить их как обоснование сделанных выводов. «Чтобы убедить Рентгена, я разделил весь фактический материал на 7 глав и приложил краткую главу: «Разгадка 7 мировых загадок». Придирчиво Рентген проверял: каждая ли деталь вытекает из заключительной главы. Не найдя ни одного противоречия, он согласился включить ряд физических выводов в текст. Статья была написана». Но после отъезда Иоффе Рентген опять заколебался, и материал, полученный в 1904 — 1907 гг., оставался неопубликованным более десятилетия.
Во время последней встречи перед войной 1914 г. по предложению Рентгена работа была разделена. По просьбе последнего за ним оставили исследования каменной соли. В 1920 г. вышла статья Рентгена, где было отмечено, что работа выполнена частично с Иоффе. Стиль статьи полностью соответствовал принципам немецкого ученого, т. е. в ней излагались только опытные факты без каких-либо теоретических предпосылок.
«Вряд ли у кого-нибудь хватило терпения ее прочитать», — с горечью вспоминал Абрам Федорович.
Краткая сводка результатов, полученных на других кристаллах, была напечатана Иоффе в 1923 г., уже после смерти учителя. Большая часть совместных многолетних исследований лежала в папке у Рентгена с надписью: «В случае смерти сжечь». Душеприказчик выполнил это распоряжение. «Эта ничем не оправданная многолетняя задержка в публикации... является, по моему мнению, серьезным тормозом в истории развития русской физики», — напишет позднее известный советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель.
Другой ряд работ исходил из возникшего еще в реальном училище недоверия к существованию механического эфира. В 1905 г. вышла в свет статья А. Эйнштейна, в которой утверждалось, что свет обладает дискретной структурой и представляет собой поток частиц, названных впоследствии фотонами. Свои новые взгляды Эйнштейн изложил в статье «Об одной эвристической точке зрения на происхождение и превращение света».
Новые идеи Эйнштейна настолько импонировали Иоффе, что он незамедлительно решил провести их экспериментальную проверку. Для этого он тщательно проанализировал опыты Ладенбурга (1907 г.) по измерению фотоэффекта и пришел к совершенно иным результатам.
Одна из составных частей атома — отрицательно заряженный электрон — была обнаружена еще в XIX в. В 1897 г. удалось, хотя и грубо, измерить заряд электрона; позднее измерена была его масса и еще позже были обнаружены другие его свойства — вращательный и магнитный моменты.
При освещении, в особенности ультрафиолетовым светом, отрицательно заряженное тело постепенно теряет свой заряд, а нейтральное — заряжается положительно. Явление это, называемое фотоэлектрическим эффектом или, короче, фотоэффектом, было исследовано Столетовым еще в XIX в. Характер испускаемых телом при фотоэффекте зарядов — электронов — особенно наглядно виден в поставленном опыте.
Идея опыта, доказывающего дискретную структуру электричества, состояла в следующем.
В пространство между двумя заряженными параллельными горизонтальными пластинами А и В (рис. 1) попадали мелкие металлические пылинки О, несущие положительный или отрицательный заряд. Можно подобрать такую разность потенциалов U1 между пластинами, чтобы электрическая сила уравновешивала силу тяжести, действующую на пылинку. Тогда пылинка повисает неподвижно на много часов.
Электрическая сила, которая действует на заряд е1 отрицательно заряженной пылинки, направлена вверх и равна е1U1/d, где d — расстояние между пластинами А и В. Обозначим силу тяжести, действующую на пылинку, через Fт. Условие равновесия пылинки в пространстве между пластинами — равенство силы тяжести и электрической силы: Fт = е1U1/d.
Освещение неподвижной пылинки источником света вызывало фотоэлектрический эффект. Спустя некоторое время пылинка начинала падать. Так как сила тяжести не могла измениться от освещения, не изменились ни U1 ни d, следовательно, уменьшился заряд пылинки е1 до какой-то величины е2.
Увеличивая разность потенциалов U до нового значения U2, можно было снова остановить падение пылинки; при этом должно удовлетворяться равенство е2U2/d = Fт.
Заряжая и снова разряжая пылинку, можно было этот процесс повторять сотни раз, каждый раз при соответственных потенциалах U1, U2, U3,... Оказалось что различные заряды е1, е2, е3,... которые имела пылинка, точно выражались следующим соотношением:
е1 : е2 : е3: … = (1/U1) : (1/U2) : (1/U3) : … = 1 : 2 : 3 : …
Заряды пылинки изменялись как ряд целых чисел.
Когда на пылинке оставался один отрицательный заряд, она теряла его целиком при освещении и оставалась незаряженной. Действительно, никакой разностью потенциалов U (ни положительной, ни отрицательной) не удавалось замедлить падение частички. Но если во время падения продолжать освещение, то спустя некоторое время пылинка, теряя еще один заряд, заряжалась положительно, и тогда ее снова можно было остановить, но только уже противоположной разностью потенциалов, когда потенциал верхней пластины отрицательный, а нижней — положительный.
Тысячи таких опытов с пылинками из различных материалов показали, что заряд любой пылинки всегда состоит из целого числа вполне определенных порций, равных по наиболее точным современным измерениям 1,60219 ·10–19 Кл. Каждый раз, когда при освещении пылинка теряла отрицательный заряд, он оказывался равным –1,60219 ·10–19 Кл.
Эти единичные отрицательные заряды получили название электронов. Никогда и нигде не удавалось наблюдать зарядов, меньших заряда электрона или равных нецелому числу зарядов электрона.
Милликен независимо от Иоффе провел аналогичную работу и в 1912 г. опубликовал ее первый. Методика опыта Иоффе имела ряд преимуществ. Одно из них заключалось в возможности длительного наблюдения за пылинкой. Это признавалось и Милликеном. В 1913 г., после опубликования работы Абрама Федоровича, он прислал Иоффе письмо, в котором наряду с поздравлениями выразил свое огорчение, что не он первый воспользовался приемом уравновешивания частиц в электрическом поле.
Те же опыты, но в несколько иной интерпретации, были проделаны А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравовым для изучения строения света. Об этой работе Абрам Федорович рассказал так: «Мы поместили миниатюрную рентгеновскую трубку (диаметром всего в 8 мм) вблизи заряженной крупинки, взвешенной в электрическом поле между двумя пластинками конденсатора (рис. 2). Ультрафиолетовый свет вырывал (в среднем 1000 раз в секунду) с катода рентгеновской трубки электрон, который, попадая с энергией в 10.000 эВ на антикатод, создавал кратковременные вспышки рентгеновских лучей.
Большинство этих вспышек не оказывало влияния на заряд взвешенной крупинки. Но изредка (примерно раз в 2 часа) рентгеновские лучи срывали с крупинки электрон и изменяли ее заряд. Такой электрон, как показали другие опыты, вылетает из частицы со всей кинетической энергией, какую имел в рентгеновской трубке тот электрон, который создавал рентгеновские лучи, — в данном случае с энергией в 10000 эВ.
Таким образом, какой-то импульс рентгеновских лучей, получивший от электрона энергию eU достигая крупинки, передает ей целиком всю полученную им энергию eU. Этот импульс, если он в виде электромагнитных волн распространяется как шаровая волна вокруг антикатода, уже не может передать энергии другим частицам, лежащим в других направлениях. Вся его энергия целиком поглощена данной частицей. Другие же импульсы рентгеновской трубки в течение 2 часов отдавали свою энергию частицам лежащим в других направлениях. Как бы далеко от антикатода ни находилась поглощающая лучи крупинка, она поглощает полностью всю энергию электромагнитной волны данного импульса.
Многочисленные опыты показывают, что энергия Е, передаваемая любой волной или любой частицей, определяется частотой колебаний v , соответствующей длине волны λ, и не зависит от интенсивности волнового движения в данном месте: E = hv, где h — типичная для всех атомных явлений постоянная Планка, равная 6,626 · 10–34 Дж · с.
Эта формула определяет величину порций энергии переносимых электромагнитными волнами частоты v. Их называют фотонами. Электромагнитное излучение мы можем рассматривать как поток фотонов.
Передача энергии волнами происходит совершенно так же, как передача ее потоком частиц. Из волны с частотой v энергия может извлекаться лишь в количествах E = hv независимо от расстояния от источника. Чем дальше от источника, тем реже будет поглощаться энергия, но каждый раз, когда она поглощается, волна отдает энергию hv.
Понятие о порциях энергии hv-квантах было введено Планком в 1900 г., а в 1905 г. Эйнштейн предложил рассматривать электромагнитные волны как потоки частиц с энергией hv — как потоки фотонов.
Квантовая природа света получила еще одно чрезвычайно наглядное и убедительное подтверждение».
В результате большого цикла исследований А. Ф. Иоффе и его учениками был внесен существенный вклад в обоснование фотонной теории, в разгадку тайны заинтересовавшего его в детстве мирового эфира.
С другой стороны, в этих работах отчетливо выступила специфика научного творчества А. Ф. Иоффе, его способность широко и глубоко изучать явление, вносить исчерпывающую ясность в рассматриваемую проблему. Разработка вопросов, связанных с внешним фотоэффектом, привела Абрама Федоровича вместе с сотрудниками к ряду существенных результатов: зафиксирован вылет каждого отдельного электрона; довольно точно измерен его заряд; доказано, что фотоэффект — явление статистического характера; подтверждена дискретная структура светового излучения.
Следующая научная работа, проведенная Иоффе совместно с П. Л. Капицей в 1920 г., была посвящена экспериментальной проверке соотношения между магнитным и механическим моментами электрона.
Из теоретических рассуждений было известно, что отношение магнитного момента μе электрона, движущегося по орбите, к его механическому моменту L определяется как
μе/L = е/2m.
В атомах водорода, лития, серебра механический вращательный момент электронов при движении по орбите равен нулю: L = 0. Поэтому и магнитный момент μе должен быть равен нулю. Между тем для потока всех этих атомов получалось хорошо измеримое отклонение при прохождении сквозь магнитное поле. Это было показано Штерном и Герлахом на опыте, который вошел в науку под названием опыта Штерна и Герлаха (рис. 3).
При этом весь поток разбивался на две части, отклонявшиеся в противоположные стороны на равные углы. Из результатов этого опыта можно заключить, что:
1) электроны, независимо от своего движения, обладают определенным магнитным моментом даже при L = 0;
2) проходя сквозь магнитное поле, электроны всех атомов ориентируются так, что их магнитные моменты направлены либо по направлению магнитного поля (параллельная ориентация), либо в противоположную сторону (антипараллельная ориентация); промежуточные же ориентации электронов полностью отсутствуют.
Оказывается, наряду с магнитным моментом электрон обладает и собственным механическим моментом вращения s (спином), однако соотношение между μе и s имеет иное значение:
μе/s = е/m.
Отношение μе/s вдвое больше, чем отношение μе/L.
Существование механического момента электрона, связанного с магнитным, было показано в опытах, идея которых принадлежит Эйнштейну и де Хаасу. Они опускали железный стержень на тонкой нити в катушку, по которой проходил переменный ток. Под влиянием переменного магнитного поля стержень начинал закручивать нить то в одну, то в другую сторону. Если собственные колебания стержня совпадали с частотой тока (явление резонанса), то размах колебаний значительно возрастал. Закручивание нити позволяло вычислить механический момент, а магнитное поле — магнитный момент тока.
Первоначальные опыты Эйнштейна и де Хааса, проведенные с железом, дали для отношения μе/s значение, в пределах 20% совпадающее с теоретической величиной е/2m.
Однако впоследствии, устранив незамеченные раньше ошибки опыта, они установили, что μе/s = е/m, как это должно быть для вращающихся вокруг собственной оси электронов. Таким образом, опыты Эйнштейна и де Хааса показали, что намагничивание железа объясняется наличием у электронов собственных магнитных моментов, не связанных с движением электронов по орбитам.
Эта же задача, но в иной форме, была решена А. Ф. Иоффе совместно с П. Л. Капицей. Суть опыта, проведенного ими, заключалась в следующем. В хорошо откачанной кварцевой трубе на длинной тонкой нити подвешивался намагниченный никелевый стержень (рис. 4). Магнитное поле Земли было при этом сведено к нулю. Нагревая трубу пламенем газовой горелки выше температуры 360°С, размагничивали никель; в этот момент стержень начинал закручиваться.
Намагничивание никеля вызвано тем, что оси атомных электронов поворачиваются в одну и ту же сторону. При размагничивании они, наоборот, разбрасываются тепловым движением по всем направлениям. Так как электронные магнитики в то же время вращаются вокруг своей оси, то намагниченный стержень обладает скрытым в его электронах вращательным моментом. При размагничивании этот момент исчезает. Но, согласно основным законам механики, вращательный момент системы неизменен, как неизменна и ее энергия.
В нашем случае подвешенный в пустоте стержень не может передать своего вращательного момента окружающей среде. Вращательный момент электронов намагниченного стержня при размагничивании перешел в момент количества движения всего пришедшего во вращение стержня, как целого.
Таким образом было подтверждено, что если система состоит из нескольких электронов, их спины могут устанавливаться только двумя путями: параллельно друг другу, создавая механический и магнитный моменты системы, равные сумме моментов всех электронов; антипараллельно, взаимно компенсируя друг друга, полностью или частично.
В 1910 г. Иоффе доказал существование магнитного поля вокруг катодных лучей. Полученные результаты представляли собой крупное достижение. Достаточно сказать, что такие известные мастера физического эксперимента, как Герц и Гайтлер, не смогли обнаружить магнитное поле вокруг катодных лучей. Тщательно проанализировав опыты предшественников, ученый сконструировал собственную установку, очень интересную и оригинальную по своему замыслу.
Эта работа завершила цикл исследований многих ученых (Фарадея, Максвелла и других) и окончательно установила единое происхождение магнитного поля.
Исследования Иоффе по электронной теории наглядно показали его требовательное отношение к методике физического эксперимента, его умение вскрывать и устранять источники ошибок, выделять исследуемое явление в чистом виде.
В 1913 г. Иоффе защитил диссертацию на степень магистра физики на тему «Элементарный фотоэлектрический эффект. Магнитное поле катодных лучей (опытное исследование)».
В 1915 г. Иоффе защитил докторскую диссертацию на тему «Упругие и электрические свойства кварца». Эта работа внесла ясность в запутанную тогда картину электрических свойств твердых диэлектриков.
На формирование научного творчества Иоффе большое влияние оказала дружба с известным голландским физиком П. С. Эренфестом. Имя Павла Сигизмундовича было очень популярно среди ученых начала XX в. Эта популярность прежде всего объяснялась тем, что его научные работы обязательно посвящались раскрытию коренных проблем новой физики (статистической механики, квантовой природы света и др.). Однако главная заслуга Эренфеста состояла в том, что он благодаря необычайно развитому критическому дару оказывал существенное влияние на творчество других физиков — своих современников. Впоследствии Иоффе отмечал, что способность Эренфеста к критическому анализу и строгой физически ясной формулировке оказала большое влияние на его научное развитие.
Пятилетнее пребывание Эренфеста в Петербурге послужило стимулом к развитию теоретической физики. Им был организован семинар, на котором присутствовала наряду со старшими физиками молодежь.
К 1917 г. Иоффе уже обладал всеми качествами крупного ученого, изобретателя оригинальных методов исследования, талантливого воспитателя и руководителя начинающих молодых ученых, но не имел объективных условий для создания своей школы.
Великая Октябрьская социалистическая революция дала нашей науке могучий толчок, открыла небывалые возможности для развития научного творчества. Сочетание новых благоприятных условий с личными достоинствами Иоффе позволило в короткий срок раскрыться его таланту ученого, педагога, организатора!
Добавить комментарий