Жизнь и труды А. Ф. Иоффе

Физика - одна из самых важных и полезных наук в мире, которая просто необходима рабочему и технику, инженеру и конструктору, врачу и агроному. Немало ученых во всем мире посветили свою жизнь именно физике. Это Н. Коперник, И. Кеплер, Г. Галилей, И. Ньютон, Б. Паскаль, Архимед, М. В. Ломоносов и многие другие выдающиеся ученые. Но наряду с ними работали менее известные ученые, которые внесли не меньший вклад в развитие науки. Одним из таких ученых был Абрам Федорович Иоффе, который был ярким пропагандистом достижений советской и мировой физики. А. Ф. Иоффе был родоначальником многих исследований и бессменно возглавлял организованный им в 1932 году Агрофизический институт.

В своей работе я решил подробно описать жизнь и научный труд советского ученого-академика А. Ф. Иоффе, потому как даже во многих школьных учебниках просто не упоминается имя этого выдающегося ученого и просто замечательного человека.

Выдающийся отечественный физик и организатор науки Абрам Федорович Иоффе родился 29 октября 1880 года в небольшом городке Ромны Полтавской губернии (ныне Украина), в семье купца второй гильдии. Абрам Федорович был старшим из пяти детей в семье. Его отец, Иоффе Федор Васильевич Иоффе, служил бухгалтером в частной банкирской конторе, а мать, Рашель Абрамовна Иоффе (урожденная Вайнштейн),- была домохозяйкой.

Роменское реальное училище

В Ромнах не было гимназии – имелось лишь мужское реальное училище, в которое он и поступил в приготовительный класс. Примечательно, что его одноклассником оказался С. П. Тимошенко – впоследствии крупный механик, иностранный член АН СССР. Физикой Иоффе заинтересовался еще в училище. Он часто подчеркивал, что произошло это не благодаря влиянию учителей, а, скорее, ему вопреки: уровень преподавания в училище был очень низким, учителя были, прежде всего, верноподданными чиновниками. Окончил реальное Роменское училище Иоффе в 1897 году.

Технологический институт

Как известно, до революции для поступления в университеты необходимо было знание древних языков, которые преподавались только в гимназиях. Поэтому по окончании реального училища Л. Ф. Иоффе остановил свой выбор на Петербургском технологическом институте Императора Николая 1,в который поступил в этом же году. В нем, по его мнению, Иоффе, в наибольшей степени можно было научиться физике. В этом институте преподавали выдающиеся ученые, в частности И. И. Боргман, Н. А. Гезехус, Б. Л. Розипг и др. Наряду с физикой, Иоффе много работал в области с биологических приложений, что в конце XIX—начале XX в. было более чем необычно. Хотя в научном плане эти исследования и не дали какого-либо существенного выхода, они укрепили его в убеждении о плодотворности приложения физики к проблемам биологии. Позднее, уже в 20—30-х годах все это нашло отражение в той поддержке академиком А. Ф. Иоффе соответствующих исследований и постановке их в руководимом им Ленинградском физико-техническом институте (ФТИ).

В Технологическом институте Иоффе занимался еще и чисто инженерными работами, в основном во время летней практики. И еще одна школа, пройденная Иоффе в годы студенчества, школа социальная — это участие в студенческих волнениях, формирование мировоззрения, не принимавшего царского самодержавия, товарищеская поддержка.

В годы учебы в институте Абрам Федорович руководил постройкой железнодорожного моста на линии Полтава-Ростов и строительством цеха отливки и обработки брони па Ижорском заводе в Петербурге.

Абрам Федорович окончил институт 6 июня 1902 года, получив диплом инженера-технолога.

Мюнхенский университет

По окончании Технологического института, А. Ф. Иоффе, заручившись рекомендациями Н. А. Гсзехуса и директора Палаты мер и весов профессора Н. Е. Егорова, направился в Мюнхен, где в те годы работал Вильгельм Конрад Рентген — физик, пожалуй, наиболее известный, в то время как по результатам своих исследований (открытие получивших его имя лучей), так и по высочайшему уровню экспериментального искусства.

Работа Рентгена так заинтересовала Абрама Федоровича Иоффе, что он задержался в Мюнхене до 1906 года, работая в это время ассистентом на кафедре физики.

В годы работы в лаборатории Рентгена (1903—1906) А. Ф. Иоффе выполнил ряд крупных исследований. К их числу нужно отнести прецизионный эксперимент по определению «энергетической мощности» радия. В лаборатории Рентгена находилось 68 мг. радия — огромное по тому времени количество. Рентген предложил Иоффе измерить «генерируемое» радием тепло. В начале 900-х годов отнюдь не забылись и продолжали раздаваться голоса о том, что Rа представляет собой «вечный двигатель». Действительно, без каких-либо видимых изменений и с удивительным постоянством он выделял тепло. Этот факт был отмечен еще пионером изучения радиоактивности — Пьером Кюри. Работа А. Ф. Иоффе, которому Рентген поручил повторить исследование Кюри, подтвердила результаты французского ученого. Но она содержала несомненную «методическую изюминку» в духе классических экспериментальных приемов конца прошлого—начала нашего века. Крупинка радия помещалась в пробирку с маслом; в точно такую же пробирку помещалась спираль, нагреваемая током. Равенство мощностей обоих источников тепла устанавливалось с помощью термопар точным разностным методом. Думается, что, появись соответствующая публикация, она могла бы служить основанием для того, чтобы отнести А. Ф. Иоффе к числу пионеров, исследовавших явления радиоактивности. Но Рентген и сам не спешил публиковать своих работ, и в своих сотрудниках не поощрял такой спешки. В результате Иоффе опоздал с соответствующей публикацией!

Работа с радием — в какой-то мере эпизод в научной биографии Иоффе. Однако эпизод существенный: в его свете совсем по-другому воспринимается организаторский вклад А. Ф. Иоффе в развитие советской ядерной физики.

Работы Иоффе по механическим и электрическим свойствам кристаллов, выполненные в мюнхенские годы, носили систематический характер. В процессе их проведения на примере кристаллического кварца им был изучен и правильно объяснен эффект упругого последействия. Было показано, что этот эффект связан с электрическими зарядами, образующимися под влиянием постоянной силы в испытуемой пластинке (или же с тем обстоятельством, что пластинка была не моно, а поликристаллической). Изучение электрических свойств кварца, влияния на проводимость кристаллов рентгеновских лучей, ультрафиолетового и естественного света привели А. Ф. Иоффе к открытию внутреннего фотоэффекта, выяснению пределов применимости законов Ома для описания прохождения тока через кристалл и исследованию своеобразных явлений, разыгрывающихся в приэлектродных областях.

Все эти работы Иоффе закрепили за пим репутацию физика, глубоко вдумывающегося в механизмы изучаемых им процессов и с исключительной точностью проводящего опыты, расширяющие представления об атомно-электронных явлениях в твердых телах.

5 июня 1905 года Иоффе защитил диссертацию «Упругое последствие в кристаллическом кварце» и с наивысшей оценкой получил ученую степень доктора философии.

Петербург

В 1906 Иоффе возвращается в Россию и продолжает свою работу в Петербургском (с 1924 года - Ленинградском) политехническом институте.

Именно с 1906 г. начинается более чем сорокалетняя работа Иоффе в этом ведущем вузе страны. В физической лаборатории института, которую возглавлял В. В. Скобельцын, Иоффе в 1906—1917 гг. были выполнены блестящие работы по подтверждению эйнштейновской квантовой теории внешнего фотоэффекта (первая в русской физической литературе работа на эту тему, 1907 г. ), доказательству зернистой природы электрического заряда, определению магнитного поля катодных лучей (магистерская диссертация, Петербургский университет, 1913 г. ). Наряду с этим А. Ф. Иоффе продолжил и обобщил в докторской диссертации[2] (Петроградский университет, 1915 г. ) начатые еще в Мюнхене исследования по упругим и электрическим свойствам кварца и некоторых других кристаллов. За работы, послужившие основой магистерской диссертации, Академия паук, основываясь на блестящем отзыве об этих работах акад. Б. Б. Голицына, в 1914 г. наградила А. Ф. Иоффе премией им. С. А. Иванова, которой ранее был отмечен выдающийся отечественный физик П. Н. Лебедев.

К этим важнейшим циклам исследований А. Ф. Иоффе мы добавим еще два. Одно из них — теоретическая работа ученого, посвященная тепловому излучению, в которой получили дальнейшее развитие классические исследования М. Планка. Иоффе исходил из последовательно проведенной им аналогии поведения фотонного газа и газа обычного, являющегося объектом исследований классической кинетической теории материи. Стоит отметить, что проф. О. Д. Хвольсон, автор знаменитого курса физики, к написанию главы о термодинамике лучистой энергии привлек именно А. Ф. Иоффе. Существенно, что в своей работе, значимость которой стала особенно очевидной после возникновения квантовой статистики Бозе-Энштейна, Иоффе выступил, по существу, в качестве физика-теоретика. А отсюда становится понятным, почему он всегда придавал такое большое значение теоретическим исследованиям, всячески поощрял их в дальнейшем в стенах руководимого им ФТИ. На формирование такого подхода несомненное влияние оказало тесное научное сотрудничество и многолетняя дружба с выдающимся физиком-теоретиком П. С. Эренфестом, учеником Л. Больцмана, в течение 5 лет проживавшим в Петербурге.

Другая работа, изложением которой мы и закончим обзор дореволюционных исследований А. Ф. Иоффе, также была выполнена им в физической лаборатории Политехнического института в соавторстве с преподавателем этого института М. В. Миловидовой-Кирпичевой, принадлежавшей к первому поколению учеников Абрама Федоровича. В работе исследовалась электропроводность ионных кристаллов. Было известно, что она осуществляется не электронами. Вместе с тем в то время казалось удивительным, что ионы могут передвигаться в плотноупакованной решетке (интересно здесь напомнить, что экспериментальное доказательство атомной упорядоченной структуры кристаллов, принадлежащее Лауэ, Фридриху и Книппингу, было сделано буквально на глазах Иоффе, во время его краткого пребывания в Мюнхене; ему принадлежит и первый в нашей литературе отклик на соответствующее открытие). Взявшись за выяснение механизма электропроводности, А. Ф. Иоффе и его соавтор, прежде всего, встретились с необычайно широким разбросом значений удельной электропроводности у так называвшихся сверхчистых кристаллов. Последние характеризовались оптической однородностью, постоянством механических и тепловых характеристик. Значение же удельной электропроводности от образца к образцу менялось в пределах нескольких порядков величины. А. Ф. Иоффе и М. В. Кирпичева рядом последовательных перекристаллизации добились вывода из кристаллов посторонних примесей, получив, как бы мы их сейчас назвали, «нормально загрязненные образцы». С ними они и начали работать, доказав, что ток переносится ионами, т. е. что в ионных кристаллах осуществляется электролитический механизм электропроводности. Срываясь под воздействием внешнего «раздражителя» (повышенной температуры или излучения) со своих положений равновесия (узлов кристаллической решетки) и «протискиваясь» к соответствующему электроду, перемещаясь по междоузельному пространству, ионы осуществляют перенос тока. При этом авторы продемонстрировали, что диссоциация решетки, т. е. выход ионов из положения равновесия, экспоненциально возрастает с температурой, а электропроводность слагается из двух составляющих: «примесной», существенной при относительно низких температурах, и «собственной», становящейся доминирующей с ростом температуры. Мы теперь знаем, что аналогичная ситуация характерна и для полупроводников. Понимание этого важнейшего аспекта их поведения было получено в работе учеников А. Ф. Иоффе.

Результаты исследований по электропроводности ионных кристаллов были впоследствии, уже после окончания первой мировой войны, с блеском доложены А. Ф. Иоффе на сольвеевском конгрессе 1924 г. , вызвали оживленную дискуссию у его знаменитых участников (В. Брэгга, П. Дебая, М. Кюри, П. Ланжевена, О. Ричардсона, Д. Хевеши, Э. Шредингера) и получили их полное признание. В 1926 г. Я. И. Френкель, основываясь на экспериментах Иоффе и Кирпичевой о тепловой диссоциации решетки, развил кинетическую теорию явлений переноса в твердых телах и разработал в 1933 г. дырочную теорию электропроводности полупроводников.

Наряду с интенсивной исследовательской работой, А. Ф. Иоффе много сил и времени уделял преподаванию. Он читал лекции не только в Политехническом институте, профессором которого стал в 1915 г. , но также на известных в городе курсах П. Ф. Лесгафта, в Горном института и в университете. Однако самым главным в этой деятельности Иоффе была, пожалуй, организация в 1916 г. семинара по новой физике при Политехническом институте. Этот семинар явился своеобразным преемником аналогичного семинара-кружка, которым с 1907 по 1912 г. руководил в Петербурге П. С. Эренфест. В кружок А. И. Иоффе входили Н. И. Добронравов, Я. Г. Дорфман, П. Л. Капица, П. И. Лукирский, М. В. Миловидова-Кирпичева, Н. Н. Семенов, Я. И. Френкель, Я. Р. Шмидт и некоторые другие—в то время молодые физики, закончившие университет или Политехнический институт и ставшие в дальнейшем ближайшими сотрудниками А. Ф. Иоффе, крупными советскими физиками. Именно в эти годы А. Ф. Иоффе — сначала участник, а потом и руководитель семинара — выработал тот замечательный стиль ведения такого рода собраний, который создал ему заслуженную известность и характеризовал его как главу школы. Семинар Иоффе в Политехническом институте по праву считается важнейшим центром кристаллизации советской физики.

Революция

Октябрьская революция в корне изменила весь строй жизни в России и, в частности, открыла совершенно новые перспективы развития науки в стране. Это определялось дальновидностью возглавившего советское правительство Владимира Ильича Ленина и его ближайших соратников, прежде всего Анатолия Васильевича Луначарского, руководившего Народным комиссариатом просвещения. Поэтому неудивительно, что правительство всемерно поддерживало инициативу прогрессивно мыслящей интеллигенции России, направленную на развитие науки в стране. В Петрограде с такой инициативой выступили М. И. Неменов, А. Ф. Иоффе и Д. С. Рождественский. М. И. Неменов в тяжелейшем для молодой Советской республики 1918 г. обратился за поддержкой идеи организации нового института к А. В. Луначарскому и, вспоминая о своей с ним встрече много лет спустя, удивлялся стремительности, с которой тот понял суть дела и обещал всячески поддержать эти инициативу и способствовать претворению ее в жизнь. Неменов считал целесообразным и необходимым, параллельно с изучением терапевтических свойств рентгеновских лучей (он был врачом-рентгенологом), поставить физические исследования, имевшие целью перекинуть мост между характеристиками излучения и их биологическим эффектом. Помимо этого, он намеревался организовать в стране производство рентгеновских аппаратов. Разработку планов физико-технического отдела будущего Государственного рентгенологического и радиологического института взял на себя А. Ф. Иоффе. Этот институт был создан 23 сентября 1918 г. , а в 1921 г. его физико-технический отдел выделился в самостоятельный институт — Государственный физико-технический рентгенологический институт (в дальнейшем — просто ФТИ), который более трех десятилетий и возглавлял А. Ф. Иоффе.

Наряду с созданием ФТИ, А. Ф. Иоффе принадлежит заслуга организации в 1919 г. при Политехническом институте факультета нового тина: физико-механического, деканом которого он также был почти 30 лет. В этом важном организационном мероприятии, помимо помощи со стороны руководства Наркомпроса, Иоффе получал ее от коллег по Политехническому институту, прежде всего от А. Н. Крылова, Ф. Ю. Левинсон-Лессинга, В. В. Скобельцына и молодого своего сотрудника и ученика П. Л. Капицы. Проблема кадров для новой физики всегда воспринималась А. Ф. Иоффе как важнейшая, и именно в содружестве НИИ и вуза он видел ее решение. Уже первые годы существования ФТИ и ФМФ показали плодотворность такого симбиоза: сотрудники ФТИ преподавали на ФМФ, организовывали там учебные лаборатории, учили профессиональному мастерству молодых студентов в лабораториях ФТИ. Наиболее талантливые из числа этих студентов становились сотрудниками ФТИ, еще не закончив ФМФ. Так, еще до окончания института в ФТИ начали работать А. И. Алиханов, Г. А. Гринберг, И. К. Кикоин, В. Н. Кондратьев, Г. В. Курдюмов, А. И. Лейпунский, Г. Н. Флеров, А. И. Шальников, Ю. Б. Харитон и Другие физмеховцы, впоследствии крупные советские физики, представители школы А. Ф. Иоффе. Выпускников ФМФ направляли на работу и в созданные на базе лабораторий ФТИ самостоятельные научные учреждения: Теплотехнический институт, Харьковский, Уральский, Томский, Днепропетровский физико-технические институты, ленинградские институты Химической физики, Электрофизический и др. , а также в заводские лаборатории, инициатором организации которых был А. Ф. Иоффе, Д. С. Рождественский и их сотрудники. Укажем, например, что П. П. Кобеко и И. В. Курчатов организовали такую лабораторию на ленинградском заводе «Красный треугольник», а С. А. Векшинский, Г. Л. Гринберг, П. И. Лукирский и др. на заводе «Светлана».

Научная работа

Научная работа А. Ф. Иоффе была сосредоточена в стенах ФТИ, одной из лабораторий которого он неизменно заведовал, хотя тематика ее исследований, как и название, претерпевали изменения. В 20 с годы основным направлением работ было изучение механических и электрических свойств твердого тела. Из числа наиболее крупных достижений этого периода назовем открытие «эффекта Иоффе» — упрочнения реальных кристаллов за счет соответствующей обработки дефектной поверхности

(растворение поверхностных трещин — классический эксперимент по упрочнению коменной соли), открытие явления астеризма, заключавшегося в изменении рентгенограммы находящегося под нагрузкой твердого образца (эволюция точек лауэграммы в «лучистый веер», напоминающий примитивный рисунок звезды). Оно было связано с движением поликристаллов и блоков образца.

Несколько особняком стояли работы, выполненные совместно с Н. И. Добронравовым и А. Н. Арсеньевой, по квантовой природе фотоэффекта (1925 г. ) и физике электронов— поляризации электронных волн (1929 г. ). Начало 30-х годов ознаменовалось переходом ФТИ на новую тематику. Одним из основных направлений стала ядерная физика. А. Ф. Иоффе непосредственно ею не занимался, но, наблюдая стремительный подъем этой области физики, быстро оценил ее грядущую роль в дальнейшем прогрессе науки и техники. Поэтому с конца 1932 г. физика ядра прочно вошла в тематику работ ФТИ. Для быстрого развития ядерных исследований в институте Иоффе использовал оправдавшую себя на примере развития других направлений методику: «сагитировал» на занятие ею способных молодых людей, в первую очередь И. В. Курчатова, отказавшегося в связи с переходом на новую тематику от разработки такой «золотой жилы», какой оказалось исследование сегнетоэлектричества. Далее, Иоффе организовал ряд конференций по ядру; специальным приказом но ФТИ предусмотрел необходимость создания ядерного семинара, ученым секретарем которого стал Д. Д. Иваненко.

Под влиянием этих мощных импульсов отдел ядерной физики ФТИ, который в 1933 г. возглавил И. В. Курчатов, быстро развивался. Хороню известно, каких успехов достигли физтеховцы-ядерщики (И. В. Курчатов, А. И. Алиханов, Г. II. Флеров и др. ) еще в довоенные годы, занимаясь чисто физическими исследованиями по ядру, и какова была их роль и роль, сыгранная, прежде всего И. В. Курчатовым, в решении соответствующих технических задач в рамках колоссальной «проблемы урана». На примере организации работ по ядерной физике особенно отчетливо видно, что А. Ф. Иоффе не только обладал способностью чутко откликаться на все новое, прогрессивное и перспективное в науке, но умел прекрасно подбирать и выдвигать на руководящие должности ученых, способных в оптимальные сроки «входить» в новую область и обогащать ее новыми открытиями и подходами.

С начала - 30-х годов собственная научная работа А. Ф. Иоффе сосредоточилась па другой проблеме — проблеме физики полупроводников, и его лаборатория в ФТИ стала лабораторией полупроводников. В публикуемой в настоящем сборнике статье 1931 г. Иоффе пророчески предугадал грядущую роль полупроводников. К исследованиям в этой области были привлечены многие молодые ученые — Ю. А. Дунаев, В. П. Жузе, А. В. Иоффе, Б. Т. Коломиец, Ю. П. Маслаковец, Б. В. Курчатов, Д. И. Наследов, Л. Н. Неменов, В. М. Тучкевич, П. В. Шаравский. теоретики М. П. Бронштейн, Б. И. Давыдов, Н. Л. Писаренко и др.

Первая работа А. Ф. Иоффе по полупроводникам, выполненная совместно с Я. И. Френкелем, носила чисто теоретический характер и была посвящена актуальной проблеме выпрямления тока на границе металл—полупроводник. Авторы предложили объяснить этот эффект туннельным «просачиванием» электронов через барьер, образующийся на границе: величина его возрастает при одном знаке приложенного напряжения и падает — при противоположном. Тем самым меняется прозрачность барьера — происходит эффект выпрямления. Эта теория, как показали последующие эксперименты, в частности А. Ф. Иоффе •И А. В, Иоффе, недостаточно хорошо описывала эффект выпрямления в случае закиси меди: слишком велика была в этом случае толщина запорного слоя (ширина барьера). Однако позднее, во второй половине 50-х годов, выяснилось, что эффект туннельного выпрямления тока все же «работает», реализуясь в так называемых туннельных диодах, изготовленных и исследованных японским физиком Л. Есаки.

Широким фронтом в ФТИ шли исследования электрических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов, а также первых приборов па их основе — фотоэлементов и выпрямителей, исследовались их термоэлектрические свойства. Последние работы уже после начала Великой Отечественной войны послужили основой для разработки полупроводниковых термоэлементов и термобатарей, питавших партизанские радиоприемники и передатчики. Роль исследований самого А. Ф. Иоффе в этой области была исключительно большой.

Полупроводники оставались в центре внимания А. Ф. Иоффе, и после окончания войны. В 1950 г. оп перестал быть директором ФТИ, сохранив за собой заведование полупроводниковой лабораторией. В 1952 г. лаборатория в качестве самостоятельной единицы выделилась из ФТИ; вместе с ней из ФТИ ушел ряд ближайших сотрудников Иоффе. В 1955 г. Лаборатория полупроводников АН СССР превратилась в Институт полупроводников, которым Абрам Федорович руководил до последних дней своей жизни. Конец 40-х—начало 50-х годов в пауке по полупроводникам прошли, прежде всего под знаком их приложений к радиотехнике. Соответствующие исследования В. М. Тучкевича (ФТИ), В. М. Вула (ФИАН), С. Г. Калашникова (ИРЭ) и ряда других ученых в отраслевых институтах привели к созданию у нас промышленности полупроводниковой электроники, обеспечившей нужды радиотехники и смежных областей техники. А. Ф. Иоффе свое внимание сосредоточил па исследованиях термоэлектрических свойств полупроводников и их возможных приложений.

В 1950 г. А. Ф. Иоффе разработал теорию, па основе которой были сформулированы требования к полупроводниковым материалам, используемым в термобатареях и обеспечивающим получение максимального значения их кпд. Этой работой была проложена дорога к широкому практическому применению термоэлементов в «малой энергетике» и впервые доказана теоретическая перспективность полупроводниковых термоэлектрических холодильников. Вслед за этим в 1951 г. Л. С. Стильбансом под руководством А. Ф. Иоффе и Ю. П. Маслаковца был разработан первый в мире холодильник. Это послужило началом развития новой области техники — термоэлектрического охлаждения. Соответствующие холодильники и термостаты широко применяются ныне во всем мире для решения ряда задач в радиоэлектронике, приборостроении, медицине, космической биологии и других областях науки и техники.

Последние годы жизни А. Ф. Иоффе прошли под знаком радостного творчества в стенах вновь созданного им Института полупроводников. Начиная с 1954 г. число публикаций маститого ученого в научных журналах, отражавшее его научную активность, резко возросло. Его работоспособность не могла не вызывать удивления и восхищения. Как уже отмечалось, под его руководством широкое развитие получили исследования по термоэлектричеству. Недаром одну из книг А. Ф. Иоффе па эту тему называли «библией по термоэлектричеству».

Уделяя, как и раньше, много внимания проблемам энергетики, А. Ф. Иоффе настойчиво подчеркивал роль полупроводниковых материалов в решении вопросов преобразования солнечной энергии. Все эти работы получили поддержку и известность не только у нас в стране, но и среди зарубежных коллег Иоффе. Так, очень лестную оценку его исследований высказали Ф. Жолио-Кюри, М. Борн и др. , которым оп отправил оттиски одной из своих последних публикаций па эту тему. Отметим еще большую роль, которую сыграли в привлечении молодежи к исследованиям по полупроводникам книги А. Ф. Иоффе, написанные в самые последние годы его жизни.

При всей своей занятости па посту директора ФТИ, Директора Агрофизического института ВАСХНИЛ (этим созданным по его инициативе институтом Иоффе руководил с 1932 по 1960 г. ), академика-секретаря Отделения физико-математических наук АН СССР, ее вице-президента Абрам Федорович Иоффе находил время еще и. Для интенсивной популяризаторской деятельности. Десятками исчисляются его статьи в журналах и газетах. Пропаганда успехов пауки, выступления о необходимости и плодотворности ее связей с промышленностью, статьи философского характера, в которых Иоффе на ярких примерах показывал, как новые открытия в физике подтверждают основные принципы диалектического материализма, рассказы о встречах с выдающимися отечественными и зарубежными физиками — вот темы этих статей. Многие из них представлены в настоящем сборнике.

В спектре многочисленных занятий и обязанностей Л. Ф. Иоффе большое место занимали и проблемы организации всесоюзных съездов и конференций. В качестве президента ассоциации физиков СССР он был организатором целого ряда таких форумов физиков. В историю советской пауки прочно вошли съезды русских физиков 1924, 1926, 1928 гг. , Первый всесоюзный съезд физиков 1930 г. , а в 30-е годы — многочисленные конференции по физике ядра и физике полупроводников, но физической химии, физике высокомолекулярных соединений.

Другой: стороной этой организаторской деятельности А. Ф. Иоффе была проявляемая и поддерживаемая им инициатива по выпуску новых физических журналов, в большинство которых (Журнал русского физико-химического общества, Журнал экспериментальной и теоретической физики. Физики твердого тола, Журнал технической физики, ряд советских физических журналов на иностранных языках) Л. Ф. Иоффе выступал в качестве главного редактора.

К этой работе примыкала еще и его «книжная» активность. Он был инициатором продолжения выпуска получивших популярность еще до революции «Новых идей в физике», различных физических справочников и. главное, курсов общей физики. К участию в последних Иоффе привлекал своих ближайших сотрудников по ФТИ: Д. Л. Рожанского, Н. Н. Семенова, И. В. Курчатова, Д. Н. Наследова, Ю. Б. Харитона и др. — не говоря о том, что и сам написал несколько томов курсов физики. Большое значение имело предпринятое Иоффе издание целой серии (более тридцати) небольших монографий, объемом 5—8 п. л. каждая, посвященных проблемам посвященных физики и написанных ведущими сотрудниками ФТИ. В этой серии, в частности, вышла первая отечественная монография по электронным полупроводникам Л. Ф. Иоффе и первая в мировой литературе книга о новом классе веществ: И. В. Курчатов «Сегнето-злектрики» (само название этим электрическим аналогам ферромагнетиков было дано Курчатовым). Обе книги вскоре были переведены па французский язык. В 50-е годы произошел, можно сказать, буквально «взрыв» такого рода активности: Иоффе было написано несколько книг, но физике полупроводников и их применениям; эти книги переведены па языки народов СССР и изданы за рубежом.

Конец жизненного пути

Абрам Федорович скончался 14 октября 1960 г. , две недели не дожив до своего 80-летия, подготовку к празднованию которого уже заканчивали его сотрудники по Институту полупроводников АН СССР.

Главные проблемы

В это части моей работы я решил подробно показать отношение и главные проблемы научной деятельности самого Абрама Федоровича Иоффе, продемонстрировать его взгляд на науку.

Механические свойства твердых тел (проблема первая)

Первым фактом, с которым я столкнулся в этой области, было явление упругого последействия. Оно заключается в том, что результат воздействия данной силы на тело сказывается не весь сразу. Изгиб, кручение, растяжение продолжаются, постепенно ослабевая, еще долгое время под действием постоянной силы. Точные приборы могут отметить медленный ход даже через несколько месяцев. Когда сила перестает действовать, тело не сразу принимает прежний вид. От каждого воздействия остается, таким образом, след, который можно заметить долгое время спустя после исчезновения вызвавшей его причины. Имеет место нечто вроде памяти в теле о том, что оно испытало в прошлом. Рентген предложил мне воспользоваться этим явлением, чтобы при помощи него выяснить, что именно вызывает электризацию кварца при сжатии: самая ли сила, на него действующая, или вызванное этой силой сжатие кристалла.

Если положить на кварцевый кристалл груз, то сила с течением времени не будет меняться, пока на кристалле лежит тот же неизменный груз, а сжатие, благодаря упругому последействию, может продолжаться еще долгое время. Если и электризация при этом будет усиливаться, значит, она зависит от сжатия; если же она останется неизменной, значит, она определяется не сжатием, а самой силой давления груза.

Взявшись за эту задачу, я из средства сделал цель исследования. Меня заинтересовала природа упругого последействия. Постепенное изменение размера тела было бы понятно в том случае, если бы в нем (теле) происходили какие-нибудь сложные процессы. Но какие процессы могут происходить при сжатии кристалла? По тем представлениям, которые мы себе составили о кристаллах, при сжатии происходит только сближение частиц, которое должно бы закончиться очень быстро, в ничтожные доли секунды (со скоростью распространения звука в кварце). Одно из двух: либо наше представление о кристалле неверно, либо в нем не должно быть последействия. Действительно, последействие всегда наблюдали на телах, состоящих из массы мелких кристаллов, или па неупорядоченных смесях, где сжатие производит сложные перегруппировки. Никто не изучал кристаллов под этим углом зрения; а это необходимо было сделать, чтобы проверить правильность моего заключения. Вот почему я и взялся за изучение упругого последействия кристаллического кварца.

Я уже упоминал, что последействие, которое я сначала наблюдал при изгибе кварцевых пластинок, не было истинным последействием, а результатом тех электрических зарядов, которые образовывались внутри пластинки при изгибе. Избавившись от зарядов, я избавился и от всякого измеримого упругого последействия.

Эта работа привела меня к изучению электрических свойств кристаллов, но далеко не все было ясно и в области механических свойств. Если первое противоречие разъяснилось, и упругое последействие можно было считать результатом несовершенств в строении большинства реальных твердых материалов пашей техники, то оставался ряд других непонятных свойств — прежде всего длительная пластическая деформация, которая в той или иной степени наблюдается почти во всех телах, и в частности в кристаллах. Мне кажется характерным для тогдашнего мюнхенского периода моей работы, что, выяснив мучившее меня логическое противоречие, я удовольствовался фактом, что в совершенных кристаллах упругого последействия нет, и не заинтересовался тем, как оно протекает в обычных материалах, которыми пользуется вся современная техника. Точно так же не я, а другие физики применили это свойство кристаллического кварца к практическим задачам (пружины Бриллюэна для точных измерений, стабилизация и стандартизация радиоволн пьезокварцем, ультракороткие звуковые генераторы Ланжевена[4]). И никто до сих пор еще не разобрался в упругом последействии технических материалов и его влиянии на перераспределение напряжений в сооружениях.

Только в 1918 г. я вернулся к вопросу о механических свойствах кристаллов. К этому времени теория Борна дала уже конкретную картину тех сил, которые связывают частицы кристалла в одну цельную, правильно построенную решетку, а открытие Лауэ дало новый путь к изучению этих решеток. Суть этого открытия заключается в том, что, благодаря правильному расположению атомов в решетке, имеется целый ряд плоскостей, представляющих собой как бы сетку из атомов. Каждый такой усеянный атомами слой, подобно зеркалу, отражает пучок рентгеновых лучей, отбрасывая их на светящийся под их воздействием экран или на фотографическую пластинку. Такой отраженный зайчик позволяет установить сетку атомов, от которой он отброшен. По длине волны отраженных рентгеновых лучей можно, далее, судить о расстояниях между отдельными параллельными атомными слоями и, таким образом, составить себе полную картину распределения атомов в кристалле.

Это открытие Лауэ как нельзя более пригодно для выяснения того, что па самом деле происходит в теле при любых воздействиях на него. С, другой стороны, реальная возможность для использования этого открытия — рентгенова установка. Моя работа с рентгеновыми лучами, совместно с группой сотрудников, была налажена с организацией физико-технического отдела Рентгеновского института. Это и была первая моя работа в новом институте.

Однако прежде чем изложить саму работу, мне хотелось бы па примере открытия Лауэ, протекавшего почти на моих глазах, отметить типичные черты научных открытий и роль того автора, с именем которого открытие остается связанным в учебниках истории как проявление его личности.

На теоретическом: семинаре проф. Зоммерфельда в Мюнхене докладывалась работа Эвальда об оптических свойствах правильно расположенной решетки из электронов. В лаборатории Рентгена и в то же время производились опыты и вычисления для определения длины волны рентгеновых лучей, показавшие, что эта длина порядка миллиардных долей сантиметра. И та и другая работа обсуждались на ежедневных беседах за чашкой кофе — традиция, которую мы установили еще за несколько лет до этого. И вот один из участников этих бесед — Лауэ - -высказал мысль, что если длина волны рентгеновых лучей только немногим менее, чем расстояния между атомами в кристаллической решетке, то кристалл должен представлять для рентгеновых лучей то же самое, чем для обычного света является так называемая дифракционная решетка (пластинка с густо, па одинаковых расстояниях нанесенными штрихами пли царапинами, служащая для спектрального разложения света).

Другой участник беседы (покойный Эрнст Вагнер), наоборот, считал это утверждение фантастическим, так как в кристалле ряды атомов расположены хотя и на равных расстояниях, но не в одном направлении, параллельно друг другу, как в оптической решетке, а по всем направлениям, взаимно перекрещиваясь. Лауэ все же утверждал, что какая-то правильность должна сказаться. Для решения этого спора решено было привлечь работавшего у Рентгена с рентгеновыми лучами Фридриха. Он должен был поставить на пути рентгеновых лучей кристалл и посмотреть, не отразят ли его атомные слои лучей на помещенную над кристаллом фотографическую пластинку.

Несколько дней непрерывного действия рентгеновых лучей не дали никакого результата, пока работавший в той же комнате Книппинг не решил поставить фотографическую пластинку па пути лучей, прошедших сквозь кристалл, вместо того, чтобы помещать ее сверху. По-видимому, он стремился привести опыт к скорейшему окончанию, так как па пластинке должен был появиться, во всяком случае, след от рентгеновых лучей. Оказалось, однако, что вокруг этого следа от лучей, прошедших сквозь кристалл, появились еще правильно расположенные пятна-зайчики, отраженные от определенных атомных слоев внутри кристалла. Впрочем, толкование Лауэ было сложное. Такой простой смысл ему придали английский физик Брэгг и русский кристаллограф Ю. Вульф — энергичный работник нашего института.

Мне кажется, па этом примере хорошо видно, как подготавливается научное открытие, какую роль играет способность синтезировать разнородные факты, связь между теорией и опытом и, наконец, какова роль случайной удачи в ускорении результата. Работа была опубликована тремя авторами — Лауэ, Фридрихом и Книппингом. Все элементы открытия имелись уже налицо. Нельзя сомневаться, что открытие Лауэ было бы сделано им и без Фридриха и Книппинга, если не в 1912, то уж во всяком случае, в 1913г.

Теперь я возвращаюсь к своему применению метода Лауэ для изучения механизма деформации в кристаллах. Вместо фотографической пластинки я воспользовался экраном, светящимся под действием рентгеновых лучей. После 15—20 мин пребывания в совершенно темной комнате глаз прекрасно различает отдельные светящиеся пятна, получающиеся от отражения атомными слоями внутри кристалла. Если атомы этих слоев переместятся, повернутся, то и пятно сместится. Наблюдая таким путем, что происходит с атомами кристалла, подвергаемого все увеличивающейся нагрузке, мы заметили, что как только нагрузка превзойдет определенный предел, пятна раздваиваются, потом появляются рядом третьи, четвертые, десятые, сотые и т. д.

Это значило, что один кристалл с одинаково расположенными атомными слоями распадается на два, три, сто отдельных кристалликов, несколько повернутых относительно друг друга, но составляющих все же одно прочное целое. Одно из пятен при этом оставалось неизменным. Это показывало, что все перемещения и повороты происходят вдоль определенной плоскости, которая не меняется и которая одинакова во всех кристаллах. Эти наблюдения и это толкование изменений, происходящих в рентгеновой картине, создаваемой кристаллом, были затем подтверждены многими авторами и развились в целую науку, изучающую процессы холодной обработки металлов и металлических кристаллов.

Изучая далее сдвиги отдельных кристалликов, мы обнаружили их необычайную правильность. Под действием данной нагрузки отдельные сдвиги происходят один за другим, через одинаковые промежутки времени и на совершенно одинаковые перемещения. Если в лаборатории нет шума, можно отчетливо слышать эти сдвиги, подобные тиканью часов. То, что при грубом наблюдении представляется как медленное, непрерывное течение материала, в действительности состоит из большого числа отдельных сдвигов и поворотов внутри отдельных кристаллов, из которых состоит материал. При помощи рентгеновых лучей можно было отчетливо заметить, при какой нагрузке начинается расслоение пятен, т. е. сдвиги и повороты частей кристалла. Оказалось, что эта нагрузка тем меньше, чем выше температура, а при температуре, близкой к плавлению кристалла, уже самые ничтожные силы вызывают сдвиги в кристалле. Можно было утверждать, что в каменной соли, на которой проведены наиболее тщательные опыты, плавление наступает тогда, когда уже всякая, самая ничтожная сила может нарушить правильность кристалла и заставить его течь.

Далее мы обнаружили, что самый процесс сдвигов меняет все свойства кристалла, делает его более жестким, более прочным. По мере нарастания пластической деформации прочность возрастает от нескольких сот граммов на 1 мм2 до 5—6 кг.

Казалось, что момент, когда в рентгеновых лучах замечаются повороты в кристалле, соответствует первому признаку изменения кристалла. Однако применение других методов показало, что еще задолго до этих поворотов могут уже начаться сдвиги в кристалле.

При комнатной температуре в каменной соли повороты в рентгеновых лучах замечаются при нагрузке в 920 г. на 1 мм2 поперечного сечения кристалла. Но при изгибе в микроскоп можно заметить пластическое смещение уже при нагрузке в 200 г, а при помощи разработанных нами (И. В. Обреимов, Л. В. Шубников, М. В. Классен) оптических методов в очень хороших кристаллах можно обнаружить первый сдвиг уже при нагрузке в 10 г. Чем больше произошло сдвигов, тем большие усилия необходимы, чтобы создать новые сдвиги, —- кристалл становится жестче, менее пластичным.

Наряду с, изучением пластичности, мы занимались и изучением прочности на разрыв. Теория кристаллических решеток утверждала, что силы, связывающие атомы кристалла в одно целое, в несколько сот раз больше тех, которые на самом деле уже разрывают кристалл. Это противоречие необходимо было выяснить, чтобы понять механизм разрушения кристаллического тела. Оказалось, что нагрузка, при которой наступает разрыв кристалла, действительно очень мала по сравнению с вычислениями теории (400 г вместо 20 кг на 1 мм2) и что она почти совсем по меняется пи при нагревании до 600°, ни при охлаждении до —180°. При высоких температурах течение начинается раньше, чем наступает разрыв, и поэтому каменная соль является пластичной как воск. При низких температурах кристалл разрывается раньше, чем он может начать течь, и соль кажется хрупкой. Пот хрупких и мягких материалов; все зависит от соотношения при данных температурах между пределом текучести и пределом прочности.

Одно из возможных объяснений того, что реальная прочность на разрыв так мала по сравнению с теоретической, — это предположение, что разрыв никогда не происходит сразу по всему сечению, а начинается с маленькой трещины, которая, углубляясь, все далее разделяет кристалл на две части. В каждый момент вся нагрузка действует только на маленький участок около края трещины, а для этого маленького участка нагрузка достаточно велика, чтобы углубить трещину. Попятно, что нужно гораздо большее усилие, чтобы разделить сразу по всей ширине полоску бумаги, чем, надорвав край, постепенно ее разорвать. Если это объяснение правильно, то нужно было ожидать, что от свойств поверхности, от существования или легкого образования на ней трещин будет зависеть прочность всего кристалла.

С целью по возможности устранить существующие на поверхности трещины и предотвратить их образование мы погрузили кристалл каменной соли в горячую воду, которая быстро растворяла и постоянно обновляла его поверхность. Действительно, прочность при этом повысилась во много десятков раз. Правда, здесь мы имеем дело уже не с первоначальным отдельным кристаллом, а с целой системой сдвинутых и повернутых относительно друг друга кристалликов, так как под водой пластическая деформация идет чрезвычайно быстро и упрочняет кристалл. Но важно, что самые силы сцепления действительно гораздо больше, чем при разрыве одиночного сухого кристалла; легко происходят только сдвиги, а не отрыв частей кристалла. Даже в том случае, когда находящаяся в воде часть кристалла во много раз тоньше, кристалл никогда не рвется в воде, а всегда в сухой части. Этот очень наглядный: опыт теперь обычно показывают на лекциях по физике. Так как под водой прочность соли во много раз выше, чем предел ее текучести, то под водой соль уже не хрупка, а наоборот, чрезвычайно пластична. Это тоже весьма легко воспроизводимый опыт.

Другой опыт, который показывает, что дело здесь не в изменении свойств соли, омываемой водой, а в поверхности кристалла, был нами произведен позже. Из каменной соли вытачивался шарик, который предварительно охлаждался в жидком воздухе; затем он внезапно переносился в расплавленное олово или свинец. Здесь внешние слои шарика быстро нагревались, тогда, как его центральная часть оставалась еще совсем холодной. Внешние слои, поэтому расширялись и растягивали по всем направлениям внутреннюю часть шарика. Напряжения в центре достигали десятков килограммов па квадратный миллиметр, и, тем не менее, шарик не разламывался. Все дело здесь в том, что напряжения, растягивающие кристалл, существуют только внутри и достигают больших значений в самой центральной части, тогда как поверхность шарика свободна и никаких растяжений не испытывает. Поэтому поверхностные трещинки дальше не распространяются.

Как в случае с кристаллом, погруженным в воду, так и в опыте с шариком мы убедились, что в кристалле, обычно разрушаемом напряжениями в 0. 5 кг, можно создавать напряжения, в 20 раз большие, не разрушая его, если только позаботиться о том, чтобы на поверхности по создавалось трещины, способной своим ростом разорвать кристалл. Каково бы ни было толкование этих фактов, они показывают, что силы, связывающие твердое тело, в десятки: раз больше тех, которые его обычно уже разрушают.

Раньше, чем эти данные были опубликованы, они каким-то образом сделались известными за границей и вызвали там целый поток газетных статей о том, как увеличение прочности материалов повлияет на технику. Писали о мостах из проволок, пароходах, в несколько дней достигающих Австралии, новых перспективах для транспорта, в особенности воздушного, легких машинах и т. д. Печатались интервью с крупнейшими учеными без того, чтобы кто-нибудь знал точно, в чем дело. Однако между наблюдением исключительной прочности кристалла каменной соли и получением такой же прочности технических материалов — громадный путь; да и успех весьма сомнителен. В технических материалах масса мелких кристалликов, у каждого своя поверхность, масса неоднородностей, отсутствующих в отдельном кристалле. Трудно определить, как здесь использовать опыт каменной соли. И действительно, в этом направлении ничего еще не сделано. Значение этих опытов пока заключается в том, что они подтвердили правильность наших представлений о строении кристаллов и дали более прочное основание для использования этих представлений.

Опыты с прочностью соли в воде, во всяком случае, указывают па большую роль поверхности. Обычно ее не замечают, потому что внутренние части образца влияют еще больше, чем поверхность. Но чем тоньше образец, тем меньшая часть вещества внутри и тем большее значение получают поверхностные слои атомов. Можно было ожидать, что в мелко раздробленном виде, в топких листах, в очень топких нитях механические свойства будут совсем иными, чем в больших кусках. Действительно, давно известно, что очень топкие металлические, стеклянные и кварцевые нити обладают особенно большой прочностью. Однако часто возражали, что это происходит не от «толщины» нити, а оттого, что поверхность ее подверглась совсем иной обработке, чем внутренность. Так, например, для получения тонких металлических нитей их волочат, протягивают много раз через все более узкие отверстия, вследствие чего они становятся тверже и прочнее. В стеклянных нитях, быстро застывающих, остаются натяжения, и свойства стекла иные.

Чтобы выяснить роль этих обстоятельств, мы принялись за изучение тонко нащепленной слюды, о которой уже никак нельзя было думать, что поверхностный слой как-то изменен обработкой. Результат был тот же: чем тоньше листок слюды, тем больше его прочность, так же как в тонких стеклянных и кварцевых нитях.

Роль поверхности сказывается и в других отношениях. Стоит покрыть поверхность тончайшим слоем какого-нибудь вещества (масла, спирта, воды) как прочность нитей резко меняется: для воды — в 5 раз, спирта — в 4 раза и масла — в 2 раза по сравнению с совершенно сухой нитью.

Эти факты приводят к новому представлению о механической прочности, о механизме разрыва. Мне представляется, что разрыв начинается с течения материала в разных местах внутри разрываемого образца. Напряжение материала здесь ослабевает, зато па краях такой области сосредоточиваются перенапряжения, которые в свою очередь заставляют течь все большие и большие области внутри образца. Достигая поверхности, такое расслабление может привести к образованию трещины или к росту уже существующей трещины. Если эти представления правильны, то они действительно открывают путь к повышению прочности, если и не в десятки и сотни раз, то все же настолько, чтобы получить резкий технический эффект.

Электрические свойства твердых изоляторов (проблема вторая)

В то время, когда я приступал в Мюнхене к изучению изоляторов, представления об их электрических свойствах были крайне запутаны. Сами свойства назывались либо электрическим последействием, либо электрическими аномалиями (неправильностями). Что же являлось правильным, нормальным, было неясно. Мне, прежде всего, удалось показать, что и в изоляторах мы имеем дело с таким же электрическим током, переносящим электрические заряды, как и в проводниках, но только зарядов этих меньше, и поэтому ток слабее.

Эта естественная мысль отвергалась потому, что ток обычно быстро ослабевал; но выключение внешнего источника появлялся обратный ток; ток не подчинялся тем законам, которые были установлены для проводников. Непосредственными опытами мне удалось показать, что все эти осложнения происходят оттого, что внутри изолятора при прохождении тока накапливаются электрические заряды, в свою очередь влияющие на силу тока. Учитывая их, мы получаем такие же точные законы тока, как и в проводниках. На основе обширного материала была создана общая теория тока в изоляторе и электрических свойств твердых тел. И. В. Курчатовым и П. П. Кобеко открыто явление сегнетоэлектричества.

Особый интерес представлял случай, когда заряды скапливались в очень топком слое вблизи одного из электродов. Концентрация энергии и сила электрического ноля в этом слое были так велики, как нигде до тех пор. Французский физик Ланжевен первый обратил внимание на громадные технические возможности, заключающиеся в этом явлении. В течение нескольких лет коллективными усилиями большой группы сотрудников мы пытались разобраться в этом загадочном явлении и использовать его для концентрации электрической энергии. Удалось исследовать распределение зарядов в тончайших слоях изолятора толщиною в тысячную миллиметра и установить законы их накопления, зависимость явления от температуры, тока, свойств кристалла и т. д. В особенности существенную роль играют примеси, находящиеся в изоляторе. Вводя их, можно вызвать скопление зарядов. Очищая изолятор от всяких посторонних примесей и включений, можно совсем освободиться от зарядов. Эта связь позволяет изучить вхождение и распределение различных веществ внутри твердого тела — изолятора. Явление было тщательно изучено, но практическое применение вылилось в совершенно иную форму. Ход исследования показал, что такие исключительные по величине электрические силы потому не разрушают изолятора, что слой, в котором собираются заряды, очень тонок. Любая достаточно тонкая пластинка изолятора обладает такими же свойствами, как и этот тонкий, заряженный слой в кристалле.

Следующей стадией работы было изучение тонких слоев. Для этого оказалось необходимым изучать пленки в тысячные и десятитысячные доли миллиметра толщиною. Опыты привели нас к следующему представлению: когда электрическое напряжение в изоляторе достигает определенных пределов, в нем начинает развиваться электрическая лавина, приводящая к его разрушению или пробою. Заряды, перемещение которых в изоляторе обычно составляет ток, ускоряются здесь настолько, что получают способность своим ударом выбивать новые заряды. Если бы мы проследили за одним каким-нибудь зарядом на его пути сквозь кристалл, то обнаружили бы, что, постепенно ускоряясь, уже па расстоянии в десятитысячные доли миллиметра он выбивает новый заряд. Эти два заряда, пройдя такой же путь, вырвут еще по одному заряду. При следующем столкновении будет уже четыре заряда, потом 8, 16, 32, 64 и т. д. Легко видеть, что после одного только десятка столкновений один заряд создаст 1000 новых, после двух десятков их появится миллион и т. д. Такое неограниченное нарастание новых зарядов должно привести к пробою. Как же его избежать? Как ограничиться только немногими столкновениями? А эти-то именно условия мы и имеем в очень тонких слоях; здесь лавина доходит до противоположного края изолятора раньше, чем успеет разрастись и сделаться гибельной. Чем раньше будет остановлена лавина, тем лучше; поэтому можно было ожидать, что этот прием будет тем действеннее, чем тоньше слой.

Действительно, первые наши опыты заставили нас думать, что те напряжения, которые совершенно неизбежно пробивают обычные изоляторы, не разрушают его, если тот же изолятор испытывается в виде пленки в тысячную миллиметра толщины. Чем толще была пленка, тем больше в ней накапливалось зарядов, и тем сильнее был проходящий через нее ток. Это наблюдение также подтверждало представление о лавине зарядов.

Такой же прочностью, какой обладает отдельный тонкий слой, должна обладать и комбинация из наложенных друг на друга тонких слоев — тонкослойная изоляция. Для электротехники изоляция со столь высокой прочностью представляла бы громадный интерес. Для технической разработки нового вида изоляции нами были заключены договоры с крупнейшими американскими и германскими электротехническими фирмами с тем, чтобы на эти работы фирмами были ассигнованы крупные суммы; все результаты должны были быть предоставлены бесплатно нашей промышленности, а изделия, производимые за границей, должны были давать нам определенный валютный доход. Однако цель эта не достигнута, хотя и удавалось получать прочность в 6 млн. В на сантиметр вместо 500 000 В, которые раньше определяли прочность изоляции, но в ходе работы применяемые материалы сами по себе были настолько улучшены, что они и без тонкослойности выдерживали до 4—5 млн. В. Разница не так велика, чтобы оправдать такой дорогой продукт, как тонкослойная изоляция.

С другой стороны, и представления о причинах пробоя в результате этой работы существенно изменились. Была разработана новая, более точная методика измерений тонких слоев. Произведенное вместе с А. П. Александровым исследование пробоя стекла и некоторых лаков не укладывается в представление о лавине зарядов и не дает увеличения прочности в тонких слоях. Правда, опыты со слюдой, лаками и разнообразными жидкостями, произведенные в Германии, подтверждают представление о лавине, но есть основание думать, что более подробный их анализ и проверка, которой мы сейчас заняты, и здесь приведут к иным результатам. Для создания новой теории пробоя имеется уже обширный материал, доставленный опытами А. Ф. Вальтера, К. В. Синельникова, А. Хиппеля. Дальнейшая работа в этом направлении покажет, какой прочности удастся реально достигнуть и насколько можно будет удешевить стоимость изоляции.

В ходе работ по тонкослойной изоляции созданы и изучены новые изоляционные материалы (стирол и эфиры целлулозы), представляющие большие преимущества для нашей электропромышленности. Эти же материалы оказываются чрезвычайно важными и для агрономических целей. Разработаны новые методы защиты от краевого пробоя — главного врага высоких напряжений — и более совершенная методика измерений. Таким образом, эта работа, изменив наши теоретические взгляды, привела и к усовершенствованию техники изоляции.

За последние годы немецким физиком Смекалем было выдвинуто представление, сводящее ток к тем случайным неоднородностям, которые существуют во всяком реальном кристалле. Мне вместе с группой сотрудников пришлось предпринять обширное исследование, чтобы разобраться в этом вопросе. Однако опыты не подтвердили взглядов Смекаля; наоборот, выяснилось с полной очевидностью, что те неоднородности, которые, несомненно, существуют в кристаллах, никакого влияния на его электрические свойства, на его электропроводность не оказывают. В феврале 1930 г. в Берлине состоялась большая дискуссия по этому вопросу, которая не оставила никаких сомнений в неприменимости взглядов Смекаля к теории электропроводности изоляторов.

Электроны и световые кванты (проблема третья)

В 1910—1911 гг. возникла полемика между американским физиком Милликеном и его австрийским коллегой Эренгафтом по вопросу о реальности существования электрона. С другой стороны, я уже упоминал о своем особом интересе к идее распространения света в виде отдельных квантов. Па этой почве возник ряд работ, опубликованных лишь частично.

Впервые электроны были получены в сильно разреженных трубках в виде потока, вылетающего из катода (отрицательного полюса) и называемого, поэтому катодными лучами. Удалось показать, что они действительно переносят с собою электрический заряд, но одно из свойств, которым должен был бы обладать поток электронов, упорно не подтверждалось. Не удавалось обнаружить магнитное поле, которое должен был бы создать такой поток вокруг себя. Проанализировав все произведенные опыты, я обнаружил допущенные в них ошибки и, устранив их, мог с достаточной точностью не только установить, но и измерить магнитное действие катодных лучей.

Нужно было, далее, доказать, что эти лучи состоят из отдельных элементарных частиц — электронов. Для этого я воспользовался следующим способом: маленькие заряженные цинковые пылинки вводились между двумя пластинками, из которых нижняя заряжалась электричеством того же знака, как и пылинка; верхняя — противоположным. Можно было подобрать заряд пластин так, чтобы пылинка, отталкиваясь от нижней пластины и притягиваясь к верхней, как раз уравновешивала силу тяжести, тянущую ее вниз. Частичка часами висела неподвижно, пока заряд ее не менялся. Если он менялся, то приходилось изменять заряд пластин на вполне определенную величину. Освещая пылинку ультрафиолетовым светом, можно было заставить ее потерять отрицательный заряд.

Изменение заряда никогда не происходило непрерывно. Время от времени с пылинки сразу слетало определенное количество электричества. Многие тысячи таких наблюдений показали, что, какова бы пи была частичка по размерам или по составу (например, ртуть вместо цинка), электричество теряется всегда строго одинаковыми порциями, равными заряду электрона. Ни разу не наблюдалась частичка, на которой было бы 1/2 электрона или 1 1/2 электрона. Так как под действием освещения теряется именно электричество, а не атомы вещества, то эти опыты показали, что отрицательное электричество встречается в природе лишь в виде определенного числа целых порций — электронов.

Те же опыты были использованы и для изучения строения того света, который срывает с пылинки электроны. Опыты наши в этом направлении имели следующий вид: алюминиевое острие, находящееся в миниатюрной пустотной трубке, освещалось слабым ультрафиолетовым светом так, чтобы с него время от времени срывались электроны. Эти электроны ускорялись в трубке электрическим полем в 10000 В. и попадали на тонкую алюминиевую фольгу, где создавали световые, или, точнее, рентгеновские кванты. На небольшом расстоянии над фольгой находилась взвешенная пылинка висмута. И вот мы могли наблюдать, как изредка (раз в несколько часов) с пылинки висмута слетал электрон, и тогда он сразу уносил с собою весь тот запас энергии, который другой электрон затратил в алюминиевой фольге при создании кванта света. Таким образом, вся энергия, полученная световым квантом в фольге, целиком передается пылинке, находящейся па расстоянии, которое, хотя и мало, но в тысячу раз больше, чем размер пылинки. Если пылинка получила всю энергию, то тем самым приходится признать, что в других направлениях этот световой квант уже не будет двигаться. Этот опыт — один из наиболее убедительных фактов, свидетельствующий о квантовой природе света.

Но это только одна сторона его свойств. Одновременно с этим свет является и электромагнитной волной. Синтез этих двух сторон света дан был новой квантовой механикой, которая не только световым волнам приписала свойства движущихся частиц, но и в движущихся частицах обнаружила волновые явления.

Волны материи и сейчас остаются физически неясными. В результате стремления конкретизировать идею волн материи появился ряд работ по опытному изучению их свойств. Мы пытались выяснить, могут ли эти волны обладать поляризацией, подобно световым и радиоволнам, т. е. обладать разными свойствами в разных направлениях вокруг направления своего распространения. Ответ получился отрицательный. Далее, мы искали резонанс этих воли, их преломление и т. п.

Проблема новой техники (проблема четвертая)

Осуществление первой пятилетки и подготовка к широкому развертыванию социалистического хозяйства, к генеральному плану электрификации поставили перед советской физикой ответственную задачу— своевременно подготовить научную базу новой техники нашего близкого будущего. Изучая с точки зрения современного знания состояние важнейших областей техники, нельзя не видеть, что в большинстве случаев те возможности, которые заключаются в современной физике, не используются техникой и, более того, физика не развила и не изучила методов, наиболее радикально решающих проблемы энергетики, электрификации, строительства, сельского хозяйства, транспорта.

В течение 1930—1931 гг. я в ряде статей формулировал главнейшие задачи физики в этом направлении. Некоторые из поставленных задач требуют сравнительно небольшого развития и уточнения их физических основ. Главное — это техническая и экономическая разработка каждой отдельной задачи. Только на основе такой разработки можно будет судить о пригодности и значении их для народного хозяйства. К числу этих задач относятся: использование солнечной энергии для опреснения воды, для бытовых нужд, для сушки, выплавки руд и солей, рационализации парников, получения механической энергии и т. д. ; применение физики в агрономии: покрытие почвы и растений пленками, лаками и газами с целью усиления прогревания, воздействие физических факторов (токов, лучей, ионов, волн) на почву и растения и т. д. ; новые формы строительства, освещения, вентиляции, отопления, в частности использование для отопительных целей холодильных машин; постройка с минимально возможным протяжением внешних стен, с помещениями (нежилыми), лишенными окон как средство к уменьшению расхода топлива; новые источники электрического освещения, дающие больше ультрафиолетового света, особенно источники со светящимся газом; машины, использующие разность температур, существующую на далеком Севере между водой в реках и океане и воздухом.

Среди этих задач некоторые требовали еще основательной научной проработки. Таков вопрос о непосредственном превращении тепловой энергии в электрическую, при помощи термоэлементов. Здесь пришлось поставить задачу изучения природы явления па гораздо более широком круге материалов, чем до сих пор, изучить для этих новых материалов как электрические, так и тепловые их свойства. Был разработан совершенно новый оптический метод измерения теплопроводности материалов, не требующий пи измерений температур, ни затрат тепловой энергии. Широкая техническая задача использования полупроводников привела к необходимости решения глубоких научных вопросов их теории.

Нет основания надеяться, чтобы термоэлементы могли конкурировать с современными тепловыми станциями, но для использования новых источников энергии южного солнца, северного холода они могут оказаться пригодными.

Другая задача — это фотоэлектричество: превращение световой энергии в электрическую. И здесь мы еще далеки от практического решения задачи. Но на пути к ней лежит ряд совершенно достижимых и весьма полезных результатов. Современная электротехника уже начинает пользоваться новыми фотоэлементами, которые одновременно являются и выпрямителями переменного тока. Мы попытались создать теорию этих новых явлений и применить ее к опытному исследованию. И здесь получен ряд весьма интересных новых фактов и выводов.

Если по первым трем проблемам, которыми я и мои товарищи по институту занимались уже 25 лет, имеется ряд определенных результатов, то последние задачи находятся еще в начальной стадии; получены только первые результаты, которые мы надеемся развить в научную базу, подготовляющую будущую технику».

Заключение

В заключении хотелось бы сказать, что Абрам Федорович принес немалый вклад в развитие науки, а проблемы, которые он перед собой он ставил, оказались далеко не бесполезными. Абрам Федорович достиг очень важных открытий в науке. А его трудам сейчас обучаются сотни студентов в Политехническом институте имени самого Иоффе.

Человек увлекающийся, умеющий своим словом увлечь других, А. Ф. Иоффе был ярким пропагандистом достижений советской и мировой физики. Этой части своей деятельности он придавал большое значение и уделял ей много времени и сил.

В публикуемых работах А. Ф. Иоффе выступает как последовательный материалист-диалектик, убедительно доказывающий, что новые открытия в физике, противоречившие привычным и установившимся взглядам, отнюдь не противоречат теории марксистской диалектики, как утверждали ополчавшиеся на соответствующие работы по квантовой механике и теории относительности некоторые философы, а, напротив, иллюстрируют жизненность, справедливость.