Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления - Пётр Капица

Легко было подсчитать, что за время в несколько сотых долей секунды, в продолжение которого по катушке должен был идти ток, обмотка благодаря своей теплоемкости нагревалась не более чем на 100°. Главная трудность была связана с необходимостью получить мощный импульсный источник электроэнергии.

В те времена электротехника не располагала, как теперь, конденсаторами большой емкости. Мы вышли из затруднения, построив специальную аккумуляторную батарею, состоявшую из свинцовых пластин. Зазор между ними был порядка 1—2 мм и заполнялся серной кислотой. Такая аккумуляторная батарея обладала малой емкостью и малым внутренним сопротивлением. Она давала нам в импульсах необходимую мощность в 200—300 кет. Все это удалось осуществить, и опыты окончились удачно. Изогнутые треки а-частиц были получены и их кривизна была промерена. До сих пор изучение пробегов заряженных частиц в камере Вильсона в магнитном поле остается мощным методом познания радиоактивных процессов.

После этого я начал применять импульсный метод получения мощных магнитных полей для изучения магнитных свойств вещества. Хотя это направление не совпадало с основной тематикой Кавендишской лаборатории, Резерфорд все же благожелательно относился к нему и предоставил мне все необходимое для развития этих исследований.

Когда я начал заниматься магнитными свойствами вещества, первое, что произвело на меня большое впечатление, были работы, которые велись во Франции. Нужно отметить, что в конце прошлого и в начале этого столетия во Франции делались наиболее интересные работы по магнетизму. Особенно выделялась группа ученых, состоявшая из Пьера Кюри, Ланжевена и П. Вейса.

Как известно, систематическое исследование магнитных свойств ряда элементов при различных температурах, которое было проведено Пьером Кюри, привело к открытию в 1895 г. одного из самых основных законов магнетизма, который теперь носит имя Кюри.

Теоретические работы Ланжевена по магнетизму, сделанные в 1905 г. на основе работ Кюри, несомненно, заложили фундамент современной теории парамагнитных явлений. Как известно, они исходили из тех представлений статистической механики, которая была дана Больцманом и которая привела к известному закону распределения при заданной температуре в силовом поле. Этот закон был применен Ланжевеном для описания распределения направлений магнитных моментов атомов в намагниченном теле. Таким образом, не только был получен найденный Кюри температурный закон изменения намагничивания, но давалась также количественная связь магнитного момента атома с величиной магнитной восприимчивости.

В контакте с Ланжевеном и Кюри работал тогда Вейс. Его работы относились к изучению ферромагнетизма. Эти исследования следует рассматривать как классические, так как они выявили существование молекулярного поля и дали понимание процессов намагничивания, происходящих в ферромагнитных кристаллах.

Надо отметить, что у Вейса возникла идея существования «магнетона» — единицы магнитного момента атома. Он хотел подтвердить эту идею экспериментально, но в конечном итоге это ему не удалось, так как теоретический фундамент тогда был еще недостаточен. Хотя идея Вейса была правильна, свое теоретическое обоснование она получила лишь после создания на основе квантовой теории модели атома Бора.

Для вычисления величины магнетона метод, примененный Вейсом, был непригоден. Как известно, магнетон Бора был обнаружен и определен в классическом опыте Штерна и Герлаха по расщеплению молекулярного пучка в магнитном поле.

В то время считалось, что дальнейшее развитие исследований магнитных явлений нужно вести в двух основных направлениях. Первое — это увеличение интенсивности магнитного поля, второе — понижение температуры. Этими путями стремились достичь того, чтобы энергия взаимодействия атомов с магнитным полем была больше, чем тепловая. Очевидно, что при этом магнитные свойства вещества должны были выявляться более полно. Поэтому Вейс неизменно вел работы по усовершенствованию своего электромагнита: улучшалась форма ярма, для обмотки применялось водяное охлаждение, полюсные наконечники делались из кобальтовой стали.

В те годы талантливый физик Коттон тоже включился в эти работы. Сперва в Бельвю он построил большой для того времени электромагнит, несколько улучшив конструкцию Вейса, но не смог получить даже в очень малом объеме поле более 70 кэ. Тогда он занялся получением поля в интенсивно охлажденной водой катушке, но не достиг сколько-нибудь значительных результатов. Как известно, сейчас этот метод получения стационарного магнитного поля широко распространен. Наиболее успешно он осуществлялся в Гарварде, в Биттеровской лаборатории, где таким путем получали стационарные поля около 200 кэ.

Нетрудно было увидеть, что для получения ряда магнитных явлений достаточно было создавать сильное магнитное поле на долю секунды, поэтому я стал разрабатывать свой импульсный метод. Чтобы повысить интенсивность поля, первым долгом нужно было иметь более мощный источник импульсной энергии. Для этого был построен специальный импульсный генератор, который за счет кинетической энергии ротора в продолжение одной сотой секунды давал мощность около 200 Мвт. Для построения этого генератора фирмой Виккерс в Манчестере, Резерфорд не без труда достал необходимую сумму в 3 тыс. фунтов стерлингов, что по тому времени в научной работе считалось исключительно крупной суммой. Располагая такой мощностью, нам удалось получить поля в пределах от 300 до 400 кэ в достаточном для эксперимента объеме (несколько кубических сантиметров).

Ограничивающим фактором для дальнейшего повышения интенсивности магнитного поля стала теперь прочность катушки. Нетрудно подсчитать, что внутри соленоида при поле Н как бы возникает гидростатическое давление, не меньшее, чем

Из этой формулы следует, например, что при поле в 500 кэ давление р достигало 10 тыс. атм. Чтобы катушка не разлеталась со взрывом, что у нас не раз бывало, возникла необходимость делать специальные прочные катушки, употребляя для этого вместо меди кадмиевую бронзу и укрепляя обмотку снаружи стальными бандажами. В одних и тех же объемах достигнутые нами поля были примерно на порядок выше, чем в электромагнитах.

В этих сильных импульсных полях нами проводилось исследование магнитных свойств ряда элементов, их намагничивание. Мы тогда изучали также их магнитострикцию и нашли ее не только у ферромагнетиков; наблюдали в спектрах эффект Пашена — Бака. Но наиболее интересными оказались гальваномагнитные явлении.

Электронная теория электропроводности в то время предсказывала квадратичный закон для изменения сопротивления в магнитном поле; затем сопротивление должно было довольно резко достигать предела. На самом же деле, в наших опытах, во всех без исключения металлах как при нормальной температуре, так и при температуре жидкого азота и водорода нами наблюдалось линейное изменение сопротивления без признаков насыщения.

Исключение составляли элементы, обладающие плохой проводимостью, которая сильно зависит от температуры и примесей. К таким элементам относятся, например, теллур, германий и др., которые потом стали называть полупроводниками. Только у них изменение сопротивления происходило вначале по квадратичному закону с последующим насыщением, как и следовало по предсказаниям для металлов. На это первым обратил внимание Герней, и, как известно, такой ход изменения электропроводности дал возможность понять ее природу в полупроводниках.

Что касается металлов, то их гальваномагнитные свойства, несмотря на ряд попыток их объяснить, так и оставались без объяснения в продолжение почти 30 лет, пока это не удалось сделать И. М. Лифшицу в его замечательных работах. Конечно, это стало возможным благодаря более глубокому пониманию квантовых процессов в металлах, приведшему к понятию о Ферми-распределении скоростей электронов и других квантовых явлений.

Вообще моим работам по гальваномагнитным явлениям в сильных магнитных полях сильно не везло, так как они часто прерывались по непредвиденным обстоятельствам. В 1934 г. они были прерваны в связи с тем, что я не смог более продолжать свои работы в Кембридже. Когда установка с мощным генератором для получения сильных магнитных полей благодаря любезности Резерфорда была перевезена в Москву и тут восстановлена, мои работы вскоре были прерваны эвакуацией, связанной с войной. После окончания войны и возвращения в Москву, только я начал работать, как был вынужден покинуть институт на 7 лет, и лишь в 1954 г. я смог в него вернуться. За эти годы мои интересы переместились в область электроники и плазмы. Хотя работы в области магнетизма и продолжались в нашем институте, но я сам уже не возобновлял своего участия в них.