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

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.

Вторым основным направлением в исследованиях магнитных явлений вещества было понижение температуры. Тут, конечно, наиболее интересные результаты были получены после того, как был ожижен гелий и достигнуты температуры вблизи абсолютного нуля. Это, как известно, было сделано в 1908 г. Камерлинг-Оннесом в Лейдене. Когда я начал работы в Кембридже в 20-х годах, Лейден был единственным местом, где ожижали гелий, и тогда только начались работы Макленнона в Торонто и Мейснера в Шарлоттенбурге. Насколько я помню, тогда в Лейдене ожижали не более 2—3 литров гелия в неделю, но и с этим количеством делали исключительно интересные опыты; была открыта сверхпроводимость и еще ряд других интересных явлений. Я думаю, что в области изучения свойств вещества при низких температурах за последнее столетие из всех научных центров Лейденскую лабораторию нужно считать наиболее значительной. Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что все крупные открытия в области магнетизма при низких температурах, кроме Мейснер-эффекта, были сделаны в Лейдене.