На вопрос, как внешне отразилась неудача на Игоре Васильевиче, Марина Дмитриевна ответила:
– И в радости и в горести он был скуп на внешние проявления. Достигнет какого-то успеха, с улыбкой скажет: «Вот смотри, какой у тебя муж...» И больше о нем не вспомнит, занятый уже новыми мыслями. Так и при неудаче – быстро переходил к новым делам. Когда узнал, что свойства тонкослойной изоляции не подтвердились, жалел только, что «зря раззвонили», как он выразился, по белу свету. А сам уже задолго до этого думал насчет другой проблемы, которой занялся одновременно с исследованием изоляции.
Неудача не обескуражила Курчатова. Она лишь разожгла его самолюбие, удвоила взыскательность к методике исследований, на всю жизнь оставила в нем недоверие к скоропалительным результатам.
Было бы неверно утверждать, что работы Игоря Васильевича по пробою ничего не дали теории и практике. В опубликованных в 1928 году исследованиях Курчатова, Кобеко и Синельникова по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков имеется большой материал, не потерявший ценности и до настоящего времени. Эти работы привели к созданию новых изоляционных материалов – стирола, эскапона и других.
После неудачи творческая активность Курчатова еще более возросла. Он вел и большую организаторскую работу, обеспечивая лабораторию необходимым оборудованием, добиваясь практического внедрения ее апробированных выводов. Характерно в этом отношении его письмо того времени жене из Москвы, куда он выезжал в командировку: «Я целые дни мечусь по разным концам города, устраиваю разные дела, их появилось очень много за последнее время... Дома бываю редко, все на заводах, или в трестах, или же на дому у разных ответственных инженеров».
В коллективе молодых физиков за организаторский талант Курчатова прозвали генералом. Как вспоминает академик А. И. Алиханов, один из сотрудников лаборатории, отдыхавший на Волге и чуть не опоздавший на работу из-за задержки с пароходом, по приезде пошутил:
– Назначить бы туда Курчатова. Вот был бы управитель Волжского пароходства! Кораблики бегали бы как часы!
В двадцать семь лет старший инженер Курчатов был назначен заведующим отделом общей физики. Приказ об этом, датированный 1 октября 1930 года, хранится в архиве института.
В городском архиве удалось найти и справку о составе отдела, который возглавлял тогда Курчатов. У него работало восемь инженеров, один аспирант, десять лаборантов, два препаратора и один механик.
Коллектив трудился напряженно, порой дни и ночи напролет. Пример показывал молодой заведующий отделом. Когда в институт прибыла новая высоковольтная установка, Игоря Васильевича можно было видеть за ее монтажом вечерами и даже поздней ночью. Он вместе со всеми сотрудниками лаборатории монтировал трансформатор и ограждения к нему, кенотроны, изоляторы и другие детали. Отдых в лаборатории, состоял в уборке помещения. Любимым занятием уставшего Игоря Васильевича было красить столы и детали установок.
Вот оно, открытие!
Крепкий орешек
Подозрения оправдываются
Итак, сегнетоэлектрики
Последняя дань диэлектрикам...
– И в радости и в горести он был скуп на внешние проявления. Достигнет какого-то успеха, с улыбкой скажет: «Вот смотри, какой у тебя муж...» И больше о нем не вспомнит, занятый уже новыми мыслями. Так и при неудаче – быстро переходил к новым делам. Когда узнал, что свойства тонкослойной изоляции не подтвердились, жалел только, что «зря раззвонили», как он выразился, по белу свету. А сам уже задолго до этого думал насчет другой проблемы, которой занялся одновременно с исследованием изоляции.
Неудача не обескуражила Курчатова. Она лишь разожгла его самолюбие, удвоила взыскательность к методике исследований, на всю жизнь оставила в нем недоверие к скоропалительным результатам.
Было бы неверно утверждать, что работы Игоря Васильевича по пробою ничего не дали теории и практике. В опубликованных в 1928 году исследованиях Курчатова, Кобеко и Синельникова по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков имеется большой материал, не потерявший ценности и до настоящего времени. Эти работы привели к созданию новых изоляционных материалов – стирола, эскапона и других.
После неудачи творческая активность Курчатова еще более возросла. Он вел и большую организаторскую работу, обеспечивая лабораторию необходимым оборудованием, добиваясь практического внедрения ее апробированных выводов. Характерно в этом отношении его письмо того времени жене из Москвы, куда он выезжал в командировку: «Я целые дни мечусь по разным концам города, устраиваю разные дела, их появилось очень много за последнее время... Дома бываю редко, все на заводах, или в трестах, или же на дому у разных ответственных инженеров».
В коллективе молодых физиков за организаторский талант Курчатова прозвали генералом. Как вспоминает академик А. И. Алиханов, один из сотрудников лаборатории, отдыхавший на Волге и чуть не опоздавший на работу из-за задержки с пароходом, по приезде пошутил:
– Назначить бы туда Курчатова. Вот был бы управитель Волжского пароходства! Кораблики бегали бы как часы!
В двадцать семь лет старший инженер Курчатов был назначен заведующим отделом общей физики. Приказ об этом, датированный 1 октября 1930 года, хранится в архиве института.
В городском архиве удалось найти и справку о составе отдела, который возглавлял тогда Курчатов. У него работало восемь инженеров, один аспирант, десять лаборантов, два препаратора и один механик.
Коллектив трудился напряженно, порой дни и ночи напролет. Пример показывал молодой заведующий отделом. Когда в институт прибыла новая высоковольтная установка, Игоря Васильевича можно было видеть за ее монтажом вечерами и даже поздней ночью. Он вместе со всеми сотрудниками лаборатории монтировал трансформатор и ограждения к нему, кенотроны, изоляторы и другие детали. Отдых в лаборатории, состоял в уборке помещения. Любимым занятием уставшего Игоря Васильевича было красить столы и детали установок.
Вот оно, открытие!
Крепкий орешек
Академика Иоффе и его сотрудников давно уже заинтересовало необычное поведение в электрическом поле кристаллов сегнетовой соли (двойная натрикалиевая соль виннокаменной кислоты). Исследовалась эта соль пока мало, и было только известно, что она дает очень большие величины диэлектрической постоянной, причем при повторении опытов – разные.
Однажды, в конце 1929 года, когда А. Ф. Иоффе, профессор Н. Н. Андреев и И. В. Курчатов уточняли планы работ на будущее, зашла речь и о загадочных кристаллах.
– Пока достоверно известно лишь то, – хитровато поглядывая на собеседников, заметил Иоффе, – что эта соль примешивается к слабительному. Но никто из принимавших такие порошки понятия не имеет о природе ее электрических свойств.
И. В. Курчатов вызвался взяться за исследование странного диэлектрика и тут же получил добро от старших товарищей.
В марте 1930 года И. В. Курчатов и П. П. Кобеко предприняли широкое изучение диэлектрических свойств кристаллов сегнетовой соли.
Кристаллы выделяли из водных растворов в несколько приемов. Чтобы получить кристаллы в 20—30 кубических сантиметров, надо было выпарить 300 кубических сантиметров воды, а на это уходило двое суток. Еще больше времени требовалось для получения таких же кристаллов охлаждением насыщенного раствора – до шести суток. Между тем экспериментаторам нужны были образцы гораздо больших размеров, а их пока получить не удавалось.
Игорь Васильевич заинтересовал странностями сегнетовой соли кристаллографов.
«По ходу работ нам были необходимы очень большие кристаллы объемом до 300—500 см^3, – писал И. В. Курчатов, – такого рода кристаллы изготовлялись в кристаллизационной лаборатории Ленинградского физико-технического института по методу профессора Шубникова».
Участие в работе А. В. Шубникова – патриарха советской кристаллографии – помогло получить высококачественные сегнетовые образцы.
Обратившись к трудам исследователей, уже ставивших опыты с сегнетовой солью, Курчатов и Кобеко особое внимание обратили и на работы Валашека. Валашек определил величину диэлектрической постоянной этой соли при нулевой температуре. По его данным она составляла 1300 единиц, между тем, как правило, для твердых диэлектриков диэлектрическая постоянная колеблется в пределах от 2,5 до 15 .Валашек по-разному объяснял столь необычный результат. Одну из причин он видел в высоковольтной поляризации, то есть неравномерном распределении поляризации внутри диэлектрика. Но прав ли Валашек? Ведь высоковольтная поляризация наблюдается во многих веществах: кальцитах, кварце, каменной соли, уже изученных Иоффе, Лукирским, Вальтером, самим Курчатовым... Почему же именно в сегнетовой соли она дает такой взлет диэлектрической постоянной?
«Теоретические представления Валашека не являются ни убедительными, ни единственно возможными...» – записали по этому поводу Курчатов и Кобеко.
Постепенно они пришли к мысли о совершенно новой природе явления. Но прежде чем попытаться объяснить эту природу, надо было убедиться, что диэлектрическая постоянная сегнетовой соли действительно составляет во много раз большую величину, чем у обычных диэлектриков. Попробовали ее измерить и натолкнулись на парадокс – сколько кристаллов, столько и величин диэлектрической постоянной!
Наконец стало ясно: кристаллы, долго лежавшие на воздухе, давали меньшие значения диэлектрической постоянной, чем только что полученные после кристаллизации; величина поляризации зависела от влажности воздуха и т. п.
Чтобы сохранить кристалл в хорошем состоянии и избежать влияния поверхностных токов, поместили образец в стеклянную трубку, хорошо замазанную с концов. Игорь Васильевич предложил использовать для измерений количества электричества не баллистический гальванометр, как делали все исследователи до них, а электрометр, благодаря чему повысилась чувствительность схемы.
Но и после этого измерения давали каждый раз другую величину диэлектрической постоянной.
– Да-а, крепкий орешек, – заметил Игорь Васильевич, когда они закончили очередную серию опытов. Но вид у него был оживленный. Ему даже нравилось, что секрет сегнетовой соли не сразу раскрывался.
Как-то Курчатова вызвал к себе Иоффе.
Игорь Васильевич оторвал взгляд от схемы, молча постоял минуту-другую, вздохнул (видимо, ему жаль было прерывать ход мысли) и, уходя из лаборатории, напомнил Павлу Павловичу:
– Думайте думайте, как быть дальше...
Абрам Федорович встретил его довольный, прямо сияющий.
– Я очень рад, – сказал он, поднимаясь из кресла, – что, наконец, дошла очередь до вас. Двадцать человек мы уже пропустили через заграничные храмы науки. Есть вакансия на поездку в Англию, в Кембридж.Кирилл Синельников вернулся, и не один, – Абрам Федорович сделал многозначительную паузу, – с женой-англичанкой. Чтоб не обижать наших невест, мы теперь решили посылать только женатых, – с обычной своей хитроватой улыбкой продолжал он, – решено начать с вас.
– Мне сейчас ехать некогда, – не поддаваясь веселому настроению, ответил Курчатов.
– Да вы в своем уме, друг мой? – пригрозил уже посерьезневший Абрам Федорович.
– Как-нибудь позже, а сейчас никак не могу, сами знаете, только-только прикоснулись к сегнетовым кристаллам.
– Сегнетовые кристаллы от вас не уйдут, а поехать за границу, может, и непредставится случай, – по инерции продолжал уговаривать Абрам Федорович, хотя понимал, что отказ Курчатова окончательный.
...Так и не довелось Игорю Васильевичу учиться за границей. Все ему было некогда.
Однажды, в конце 1929 года, когда А. Ф. Иоффе, профессор Н. Н. Андреев и И. В. Курчатов уточняли планы работ на будущее, зашла речь и о загадочных кристаллах.
– Пока достоверно известно лишь то, – хитровато поглядывая на собеседников, заметил Иоффе, – что эта соль примешивается к слабительному. Но никто из принимавших такие порошки понятия не имеет о природе ее электрических свойств.
И. В. Курчатов вызвался взяться за исследование странного диэлектрика и тут же получил добро от старших товарищей.
В марте 1930 года И. В. Курчатов и П. П. Кобеко предприняли широкое изучение диэлектрических свойств кристаллов сегнетовой соли.
Кристаллы выделяли из водных растворов в несколько приемов. Чтобы получить кристаллы в 20—30 кубических сантиметров, надо было выпарить 300 кубических сантиметров воды, а на это уходило двое суток. Еще больше времени требовалось для получения таких же кристаллов охлаждением насыщенного раствора – до шести суток. Между тем экспериментаторам нужны были образцы гораздо больших размеров, а их пока получить не удавалось.
Игорь Васильевич заинтересовал странностями сегнетовой соли кристаллографов.
«По ходу работ нам были необходимы очень большие кристаллы объемом до 300—500 см^3, – писал И. В. Курчатов, – такого рода кристаллы изготовлялись в кристаллизационной лаборатории Ленинградского физико-технического института по методу профессора Шубникова».
Участие в работе А. В. Шубникова – патриарха советской кристаллографии – помогло получить высококачественные сегнетовые образцы.
Обратившись к трудам исследователей, уже ставивших опыты с сегнетовой солью, Курчатов и Кобеко особое внимание обратили и на работы Валашека. Валашек определил величину диэлектрической постоянной этой соли при нулевой температуре. По его данным она составляла 1300 единиц, между тем, как правило, для твердых диэлектриков диэлектрическая постоянная колеблется в пределах от 2,5 до 15 .Валашек по-разному объяснял столь необычный результат. Одну из причин он видел в высоковольтной поляризации, то есть неравномерном распределении поляризации внутри диэлектрика. Но прав ли Валашек? Ведь высоковольтная поляризация наблюдается во многих веществах: кальцитах, кварце, каменной соли, уже изученных Иоффе, Лукирским, Вальтером, самим Курчатовым... Почему же именно в сегнетовой соли она дает такой взлет диэлектрической постоянной?
«Теоретические представления Валашека не являются ни убедительными, ни единственно возможными...» – записали по этому поводу Курчатов и Кобеко.
Постепенно они пришли к мысли о совершенно новой природе явления. Но прежде чем попытаться объяснить эту природу, надо было убедиться, что диэлектрическая постоянная сегнетовой соли действительно составляет во много раз большую величину, чем у обычных диэлектриков. Попробовали ее измерить и натолкнулись на парадокс – сколько кристаллов, столько и величин диэлектрической постоянной!
Наконец стало ясно: кристаллы, долго лежавшие на воздухе, давали меньшие значения диэлектрической постоянной, чем только что полученные после кристаллизации; величина поляризации зависела от влажности воздуха и т. п.
Чтобы сохранить кристалл в хорошем состоянии и избежать влияния поверхностных токов, поместили образец в стеклянную трубку, хорошо замазанную с концов. Игорь Васильевич предложил использовать для измерений количества электричества не баллистический гальванометр, как делали все исследователи до них, а электрометр, благодаря чему повысилась чувствительность схемы.
Но и после этого измерения давали каждый раз другую величину диэлектрической постоянной.
– Да-а, крепкий орешек, – заметил Игорь Васильевич, когда они закончили очередную серию опытов. Но вид у него был оживленный. Ему даже нравилось, что секрет сегнетовой соли не сразу раскрывался.
Как-то Курчатова вызвал к себе Иоффе.
Игорь Васильевич оторвал взгляд от схемы, молча постоял минуту-другую, вздохнул (видимо, ему жаль было прерывать ход мысли) и, уходя из лаборатории, напомнил Павлу Павловичу:
– Думайте думайте, как быть дальше...
Абрам Федорович встретил его довольный, прямо сияющий.
– Я очень рад, – сказал он, поднимаясь из кресла, – что, наконец, дошла очередь до вас. Двадцать человек мы уже пропустили через заграничные храмы науки. Есть вакансия на поездку в Англию, в Кембридж.Кирилл Синельников вернулся, и не один, – Абрам Федорович сделал многозначительную паузу, – с женой-англичанкой. Чтоб не обижать наших невест, мы теперь решили посылать только женатых, – с обычной своей хитроватой улыбкой продолжал он, – решено начать с вас.
– Мне сейчас ехать некогда, – не поддаваясь веселому настроению, ответил Курчатов.
– Да вы в своем уме, друг мой? – пригрозил уже посерьезневший Абрам Федорович.
– Как-нибудь позже, а сейчас никак не могу, сами знаете, только-только прикоснулись к сегнетовым кристаллам.
– Сегнетовые кристаллы от вас не уйдут, а поехать за границу, может, и непредставится случай, – по инерции продолжал уговаривать Абрам Федорович, хотя понимал, что отказ Курчатова окончательный.
...Так и не довелось Игорю Васильевичу учиться за границей. Все ему было некогда.
Подозрения оправдываются
Среди возможных причин, вызывающих разнобой в результатах измерения диэлектрической постоянной сегнетовой соли, подозрение пало на воздушный зазор между электродами и диэлектриком. Ведь воздушный зазор неизбежно изменялся от опыта к опыту и мог по-разному влиять на результат. Экспериментаторы решили применить жидкий электрод – насыщенный раствор той же сегнетовой соли: между жидкостью и кристаллом зазора быть не могло.
И вот первая радость. С электродами из насыщенного раствора удалось получить вполне однозначные результаты. Оказалось, что абсолютное значение диэлектрической постоянной при комнатной температуре в полях с напряженностью 200 вольт на 1 сантиметр достигает 9300 единиц. Величина получилась даже значительно большая, чем у прежних исследователей (вспомним 1300 у Валашека). Но Курчатов и Кобеко по первым данным не хотели выносить окончательных суждений. Это видно из комментариев к результатам измерений в их первой работе. Авторы подчеркивают, что измерения продолжаются, полученные данные проверяются.
Продолжая исследования уже после сдачи статьи в набор, Курчатов и Кобеко окончательно убедились, что природа необычайно высокой диэлектрической постоянной сегнетовои соли не имеет ничего общего с высоковольтной поляризацией, так как установили, что ее просто не наблюдается в исследуемых кристаллах. В корректуре они сделали добавление: «У заряженного кристалла сегнетовои соли заряд распределен по всей толще диэлектрика в противоположность тому, что обнаруживалось раньше в других веществах».
Это уже была половина победы.
Опыты продолжались с большим подъемом и длились... четыре года. «В результате четырехлетней работы, – напишет впоследствии И. В. Курчатов, – удалось выработать методику измерений, свободную от тех недостатков, которые могут быть указаны у предыдущих исследователей вопроса, установить однозначность результатов, показать, что явления поляризации сегнетовои соли не искажаются процессами образования объемных зарядов у электродов» 2 .
...Кстати, об электродах. Уже после того как насыщенные растворы сегнетовои соли дали хорошие результаты, авторы пошли дальше. Они установили, что мешать может не только воздушный зазор между электродом и испытываемым образцом, но и то, что этот образец в ходе опыта теряет из своего состава воду. Этим и объяснялись отмеченные Валашеком старение сегнетовои соли и влияние внешней среды на электрические свойства кристаллов. Пришлось отказаться от электродов из насыщенного раствора сегнетовои соли и взять раствор графита. Вода в нем не терялась, и он не вносил заметных искажений в эксперимент.
Игорь Васильевич впоследствии говорил: «Вопрос о правильной монтировке электродов и учете возможных искажений измерений с этой стороны представляет основной вопрос при изучении сегнетоэлектриков».
И вот первая радость. С электродами из насыщенного раствора удалось получить вполне однозначные результаты. Оказалось, что абсолютное значение диэлектрической постоянной при комнатной температуре в полях с напряженностью 200 вольт на 1 сантиметр достигает 9300 единиц. Величина получилась даже значительно большая, чем у прежних исследователей (вспомним 1300 у Валашека). Но Курчатов и Кобеко по первым данным не хотели выносить окончательных суждений. Это видно из комментариев к результатам измерений в их первой работе. Авторы подчеркивают, что измерения продолжаются, полученные данные проверяются.
Продолжая исследования уже после сдачи статьи в набор, Курчатов и Кобеко окончательно убедились, что природа необычайно высокой диэлектрической постоянной сегнетовои соли не имеет ничего общего с высоковольтной поляризацией, так как установили, что ее просто не наблюдается в исследуемых кристаллах. В корректуре они сделали добавление: «У заряженного кристалла сегнетовои соли заряд распределен по всей толще диэлектрика в противоположность тому, что обнаруживалось раньше в других веществах».
Это уже была половина победы.
Опыты продолжались с большим подъемом и длились... четыре года. «В результате четырехлетней работы, – напишет впоследствии И. В. Курчатов, – удалось выработать методику измерений, свободную от тех недостатков, которые могут быть указаны у предыдущих исследователей вопроса, установить однозначность результатов, показать, что явления поляризации сегнетовои соли не искажаются процессами образования объемных зарядов у электродов» 2 .
...Кстати, об электродах. Уже после того как насыщенные растворы сегнетовои соли дали хорошие результаты, авторы пошли дальше. Они установили, что мешать может не только воздушный зазор между электродом и испытываемым образцом, но и то, что этот образец в ходе опыта теряет из своего состава воду. Этим и объяснялись отмеченные Валашеком старение сегнетовои соли и влияние внешней среды на электрические свойства кристаллов. Пришлось отказаться от электродов из насыщенного раствора сегнетовои соли и взять раствор графита. Вода в нем не терялась, и он не вносил заметных искажений в эксперимент.
Игорь Васильевич впоследствии говорил: «Вопрос о правильной монтировке электродов и учете возможных искажений измерений с этой стороны представляет основной вопрос при изучении сегнетоэлектриков».
Итак, сегнетоэлектрики
Понятие «сегнетоэлектрики» Курчатов первым ввел в физику. Так он назвал класс диэлектриков, обладающих такими же свойствами, что и сегнетовая соль. Что же это за свойства и чем они вызываются? Не высоковольтной поляризацией, отвечал Курчатов, а самопроизвольной. Обычно поляризация в диэлектрике возникает под воздействием электрического поля. Отрицательно заряженные частицы атомов диэлектрика (электроны), стремясь притянуться к положительному электроду, смещаются в одну сторону, положительно заряженные частицы (ядра) – в другую, образуются диполи, которые, располагаясь параллельными рядами, и создают поле самого диэлектрика.
В сегнетовой соли заряды разделены и ориентированы без воздействия внешнего поля. (Потому такая поляризация и называется самопроизвольной.) Общий же заряд кристаллов при отсутствии поля равен нулю, потому что кристаллы сегнетоэлектриков, словно фанера из ряда слоев, состоят из областей . с противоположными направлениями поляризации. Уже в слабом электрическом поле происходит переориентировка диполей и образуется мощный электрический момент всего кристалла. Подобным же образом ведет себя железо в магнитном поле. Вне поля оно не проявляет магнитных свойств именно потому, что миниатюрные магнитики, из которых состоит монолит железа, ориентированы по-разному и взаимно гасят друг друга; при попадании же в магнитное поле железо становится мощным магнитом.
Особенно ярко и полно аналогия с железом и другими ферромагнетиками проявилась при исследовании не кристаллов, а изоморфных смесей сегнетовой соли, которые Игорь Васильевич выполнял совместно с М. А. Еремеевым и Борисом Васильевичем. В одном из опытов проверялась поляризуемость смеси при разных температурах. Начинали с нормальной комнатной температуры. После подачи напряжения на электроды поляризация в смеси происходила быстро. А вот когда резко снизили температуру, картина изменилась. Приборы показывали, что по явному диэлектрику в течение нескольких часов идет ток!..
Было позднее время. Озадаченные происшедшим, Игорь Васильевич, Борис Васильевич и их товарищи молча расходились по домам. Жили братья уже в разных местах. Игорь Васильевич получил квартиру в Лесном. Борис Васильевич остался с родителями на Кировском проспекте.
Несколько дней длились поиски, раздумья. Борис Васильевич захворал и был дома, когда мокрый от весеннего дождя в квартиру ввалился Игорь Васильевич.
– Нашли?
– Да, – проговорил он, – это действительно ток, но не проводимости, а смещения диполей...
Присутствовавшие при этом родители – худощавый седоусый Василий Алексеевич и по-прежнему прямая и строгая Мария Васильевна, не понимая сути разговора, чувствовали его радостный смысл и оба улыбались.
В тот весенний вечер Игорь Васильевич был особенно весел, шутил, рассказывал родителям, сколько пришлось пережить огорчений прежде, чем сегнетоэлектрики открыли свои тайны.
Братья решили подробнее изучить для сегнетоэлектриков такие значения температуры, которые у ферромагнетиков именуются точкой Кюри. В этой точке магнитные свойства у ферромагнетика пропадают.
...Опять собраны сложные для того времени схемы, опять бессонные ночи, сотни измерений. Опыты подтверждают подмеченную Курчатовым аналогию электрических свойств сегнетоэлектриков с магнитными свойствами ферромагнетиков.
У сегнетовых кристаллов были определены две точки Кюри, верхняя и нижняя, в которых их особые электрические свойства пропадают. Верхней точке соответствовала температура +22,5° С, нижней – -15° С. Почему пропадают их свойства? Курчатов объяснил: в верхней точке это происходит из-за роста интенсивности теплового движения. Оно разрушает упорядоченные ряды диполей.
Труднее было объяснять процессы в нижней точке Кюри. Курчатов высказал предположение, что при низкой температуре ослабевает связь между диполями, и у них теряется стройность рядов.
На очередном заседании физического семинара Игорь Васильевич, докладывая об исследованиях сегнетоэлектриков в точках Кюри, высказал это предположение.
Яков Ильич Френкель не согласился с ним и выставил контргипотезу, по которой пары диполей располагаются так, что их заряды взаимно компенсируются. Участники семинара ждали отпора от Игоря Васильевича, так как привыкли к его манере вести полемику остро и темпераментно. Но Курчатов молчал, слушая выступления.
В заключение он удивительно миролюбиво сказал:
– Объединение того типа, о котором говорил Яков Ильич, приводит, очевидно, к тем же результатам в электрическом отношении, как и наше предположение, и до тех пор, пока не проведено теоретического расчета, в сущности, трудно отдать предпочтение той или иной точке зрения. Я, однако, должен признать, что предположение Якова Ильича, как более общее и имеющее определенные аналогии в других случаях, является более приемлемым, чем мое.
Очевидно, темперамент Курчатова все более подчинялся железной логике ученого. Замечания Я. И. Френкеля он привел в сноске к одной из работ по сегнетоэлектрикам. Эта доброжелательность к критике как бы приглашала: высказывайтесь, критикуйте, милости прошу, помогите правильно объяснить результаты опытов.
И. В. Курчатов и другие сотрудники лаборатории все подробнее выясняли механизм самопроизвольной поляризации сегнетовой соли. В каких кристаллах, толстых или тонких, сильнее проявляются электрические свойства? Оказалось, в толстых. При высоком их качестве и хороших контактах величина диэлектрической постоянной в малых полях доходит до гигантского значения – 190 тысяч единиц!
В ряде опытов удалось установить, что существует различие в величинах диэлектрической постоянной, измеряемой при разных направлениях электрического поля. Исследователи изучили пироэффект в сегнетовой соли, то есть появление зарядов на поверхности кристалла при изменении температуры. Выяснили особенности пьезоэффекта в сегнетоэлектриках – механические колебания, например звуковые, вызывают у сегнетоэлектрика электрические заряды и, наоборот, подведение переменного напряжения приводит к механическим колебаниям кристалла.
Глубоко проанализировал И. В. Курчатов и электрооптические свойства сегнетоэлектриков. Были рассмотрены показатель преломления, механические константы, коэффициент расширения, плотность при разных температурах, рассеяние рентгеновых лучей кристаллами.
И что особенно показательно – все экспериментальные данные Игорь Васильевич обосновал физическими и математическими выкладками, что и позволяет говорить о создании им новой области науки – учения о сегнетоэлектричестве.
С большим удовлетворением вникал Курчатов в техническое применение сегнетоэлектриков. Помните его слова, сказанные перед отъездом из Баку в Ленинград?
– А мы пойдем в физику, искать то, без чего вам, узким техникам, жить нельзя будет!
Наконец-то он начинает погашать выданный аванс! Сегнетоэлектрики открыли большой простор для техники. С их помощью удавалось умножать частоту тока. Начали строиться и испытываться микрофоны и громкоговорители с сегнетоэлектриками. А сейчас почти в каждой квартире можно встретить пьезоэлектрический репродуктор, берущий свое начало от сегнетоэлектрических приборов тех далеких лет.
Сегнетоэлектрик стал чувствительным элементом осциллографа. Одному из конструкторов, по словам И. В. Курчатова, удалось построить пьезоэлектрический осциллограф, который при разности потенциалов в 10 вольт давал возможность получить на шкале отклонения в 100 сантиметров.
Исследователи уже тогда приступили к поискам новых сегнетоэлектриков, у которых обозначились замечательные перспективы. Игорь Васильевич видел разгадку новых сегнетоэлектриков в изучении строения веществ, определяющих их свойства. Не случайно он так завершает свою монографию «Сегнетоэлектрики», изданную в 1933 году:
Развитие науки подтвердило его предсказания. Через десять лет в СССР был открыт новый сегнетоэлектрик – титанат бария. Б. М. Вул всесторонне исследовал его свойства, что способствовало быстрому внедрению в практику нового материала. Потом был открыт титанат свинца и другие сегнетоэлектрики.
О том, насколько высок был уровень исследований по сегнетоэлектричеству, выполненных во главе с И. В. Курчатовым, хорошо сказал академик А. Ф. Иоффе: «Об исследованиях Курчатова мне пришлось докладывать на международном электротехническом конгрессе в Париже и в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Опыты были произведены исключительно четко, а системы кривых, изображавших зависимости эффекта от силы поля, от температуры, с такой убедительностью демонстрировали открытие, что к ним почти не требовалось пояснений. Мой доклад мог быть прочитан на интернациональном языке диаграмм». А. Ф. Иоффе докладывал о работах Курчатова по сегнетоэлектрикам во многих странах. Однажды он высказал такое категорическое мнение: «...самый выдающийся результат в учении о диэлектриках – это сегнетоэлектрики Курчатова и Кобеко». Не случайно монография И. В. Курчатова «Сегнетоэлектрики» была переведена сразу же на французский язык.
В сегнетовой соли заряды разделены и ориентированы без воздействия внешнего поля. (Потому такая поляризация и называется самопроизвольной.) Общий же заряд кристаллов при отсутствии поля равен нулю, потому что кристаллы сегнетоэлектриков, словно фанера из ряда слоев, состоят из областей . с противоположными направлениями поляризации. Уже в слабом электрическом поле происходит переориентировка диполей и образуется мощный электрический момент всего кристалла. Подобным же образом ведет себя железо в магнитном поле. Вне поля оно не проявляет магнитных свойств именно потому, что миниатюрные магнитики, из которых состоит монолит железа, ориентированы по-разному и взаимно гасят друг друга; при попадании же в магнитное поле железо становится мощным магнитом.
Особенно ярко и полно аналогия с железом и другими ферромагнетиками проявилась при исследовании не кристаллов, а изоморфных смесей сегнетовой соли, которые Игорь Васильевич выполнял совместно с М. А. Еремеевым и Борисом Васильевичем. В одном из опытов проверялась поляризуемость смеси при разных температурах. Начинали с нормальной комнатной температуры. После подачи напряжения на электроды поляризация в смеси происходила быстро. А вот когда резко снизили температуру, картина изменилась. Приборы показывали, что по явному диэлектрику в течение нескольких часов идет ток!..
Было позднее время. Озадаченные происшедшим, Игорь Васильевич, Борис Васильевич и их товарищи молча расходились по домам. Жили братья уже в разных местах. Игорь Васильевич получил квартиру в Лесном. Борис Васильевич остался с родителями на Кировском проспекте.
Несколько дней длились поиски, раздумья. Борис Васильевич захворал и был дома, когда мокрый от весеннего дождя в квартиру ввалился Игорь Васильевич.
– Нашли?
– Да, – проговорил он, – это действительно ток, но не проводимости, а смещения диполей...
Присутствовавшие при этом родители – худощавый седоусый Василий Алексеевич и по-прежнему прямая и строгая Мария Васильевна, не понимая сути разговора, чувствовали его радостный смысл и оба улыбались.
В тот весенний вечер Игорь Васильевич был особенно весел, шутил, рассказывал родителям, сколько пришлось пережить огорчений прежде, чем сегнетоэлектрики открыли свои тайны.
Братья решили подробнее изучить для сегнетоэлектриков такие значения температуры, которые у ферромагнетиков именуются точкой Кюри. В этой точке магнитные свойства у ферромагнетика пропадают.
...Опять собраны сложные для того времени схемы, опять бессонные ночи, сотни измерений. Опыты подтверждают подмеченную Курчатовым аналогию электрических свойств сегнетоэлектриков с магнитными свойствами ферромагнетиков.
У сегнетовых кристаллов были определены две точки Кюри, верхняя и нижняя, в которых их особые электрические свойства пропадают. Верхней точке соответствовала температура +22,5° С, нижней – -15° С. Почему пропадают их свойства? Курчатов объяснил: в верхней точке это происходит из-за роста интенсивности теплового движения. Оно разрушает упорядоченные ряды диполей.
Труднее было объяснять процессы в нижней точке Кюри. Курчатов высказал предположение, что при низкой температуре ослабевает связь между диполями, и у них теряется стройность рядов.
На очередном заседании физического семинара Игорь Васильевич, докладывая об исследованиях сегнетоэлектриков в точках Кюри, высказал это предположение.
Яков Ильич Френкель не согласился с ним и выставил контргипотезу, по которой пары диполей располагаются так, что их заряды взаимно компенсируются. Участники семинара ждали отпора от Игоря Васильевича, так как привыкли к его манере вести полемику остро и темпераментно. Но Курчатов молчал, слушая выступления.
В заключение он удивительно миролюбиво сказал:
– Объединение того типа, о котором говорил Яков Ильич, приводит, очевидно, к тем же результатам в электрическом отношении, как и наше предположение, и до тех пор, пока не проведено теоретического расчета, в сущности, трудно отдать предпочтение той или иной точке зрения. Я, однако, должен признать, что предположение Якова Ильича, как более общее и имеющее определенные аналогии в других случаях, является более приемлемым, чем мое.
Очевидно, темперамент Курчатова все более подчинялся железной логике ученого. Замечания Я. И. Френкеля он привел в сноске к одной из работ по сегнетоэлектрикам. Эта доброжелательность к критике как бы приглашала: высказывайтесь, критикуйте, милости прошу, помогите правильно объяснить результаты опытов.
И. В. Курчатов и другие сотрудники лаборатории все подробнее выясняли механизм самопроизвольной поляризации сегнетовой соли. В каких кристаллах, толстых или тонких, сильнее проявляются электрические свойства? Оказалось, в толстых. При высоком их качестве и хороших контактах величина диэлектрической постоянной в малых полях доходит до гигантского значения – 190 тысяч единиц!
В ряде опытов удалось установить, что существует различие в величинах диэлектрической постоянной, измеряемой при разных направлениях электрического поля. Исследователи изучили пироэффект в сегнетовой соли, то есть появление зарядов на поверхности кристалла при изменении температуры. Выяснили особенности пьезоэффекта в сегнетоэлектриках – механические колебания, например звуковые, вызывают у сегнетоэлектрика электрические заряды и, наоборот, подведение переменного напряжения приводит к механическим колебаниям кристалла.
Глубоко проанализировал И. В. Курчатов и электрооптические свойства сегнетоэлектриков. Были рассмотрены показатель преломления, механические константы, коэффициент расширения, плотность при разных температурах, рассеяние рентгеновых лучей кристаллами.
И что особенно показательно – все экспериментальные данные Игорь Васильевич обосновал физическими и математическими выкладками, что и позволяет говорить о создании им новой области науки – учения о сегнетоэлектричестве.
С большим удовлетворением вникал Курчатов в техническое применение сегнетоэлектриков. Помните его слова, сказанные перед отъездом из Баку в Ленинград?
– А мы пойдем в физику, искать то, без чего вам, узким техникам, жить нельзя будет!
Наконец-то он начинает погашать выданный аванс! Сегнетоэлектрики открыли большой простор для техники. С их помощью удавалось умножать частоту тока. Начали строиться и испытываться микрофоны и громкоговорители с сегнетоэлектриками. А сейчас почти в каждой квартире можно встретить пьезоэлектрический репродуктор, берущий свое начало от сегнетоэлектрических приборов тех далеких лет.
Сегнетоэлектрик стал чувствительным элементом осциллографа. Одному из конструкторов, по словам И. В. Курчатова, удалось построить пьезоэлектрический осциллограф, который при разности потенциалов в 10 вольт давал возможность получить на шкале отклонения в 100 сантиметров.
Исследователи уже тогда приступили к поискам новых сегнетоэлектриков, у которых обозначились замечательные перспективы. Игорь Васильевич видел разгадку новых сегнетоэлектриков в изучении строения веществ, определяющих их свойства. Не случайно он так завершает свою монографию «Сегнетоэлектрики», изданную в 1933 году:
«Можно думать, что только с развитием общих представлений о структуре твердого тела удастся разыскать новые сегнетоэлектрики; но вместе с тем кажется несомненным, что эта задача будет успешно разрешена и на пути решения будут получены результаты, в свою очередь существенные в общих вопросах строения вещества».Значит, дальнейшая разработка открытия настоятельно требовала заняться вопросами строения вещества. Характерно и другое – уверенность Игоря Васильевича в том, что новые сегнетоэлектрики будут найдены.
Развитие науки подтвердило его предсказания. Через десять лет в СССР был открыт новый сегнетоэлектрик – титанат бария. Б. М. Вул всесторонне исследовал его свойства, что способствовало быстрому внедрению в практику нового материала. Потом был открыт титанат свинца и другие сегнетоэлектрики.
О том, насколько высок был уровень исследований по сегнетоэлектричеству, выполненных во главе с И. В. Курчатовым, хорошо сказал академик А. Ф. Иоффе: «Об исследованиях Курчатова мне пришлось докладывать на международном электротехническом конгрессе в Париже и в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Опыты были произведены исключительно четко, а системы кривых, изображавших зависимости эффекта от силы поля, от температуры, с такой убедительностью демонстрировали открытие, что к ним почти не требовалось пояснений. Мой доклад мог быть прочитан на интернациональном языке диаграмм». А. Ф. Иоффе докладывал о работах Курчатова по сегнетоэлектрикам во многих странах. Однажды он высказал такое категорическое мнение: «...самый выдающийся результат в учении о диэлектриках – это сегнетоэлектрики Курчатова и Кобеко». Не случайно монография И. В. Курчатова «Сегнетоэлектрики» была переведена сразу же на французский язык.
Последняя дань диэлектрикам...
Став в двадцать семь лет заведующим физическим отделом института, Игорь Васильевич, естественно, не мог замыкаться в рамки одной какой-то проблемы. Он руководил многими исследованиями на разных направлениях, непосредственно участвовал в самых разнообразных работах.
Это и цикл работ, посвященных полупроводниковым выпрямителям и фотоэлементам, получившим сейчас широчайшее применение. Еще в 1929 году Курчатов исследовал механизм выпрямления в некоторых солях, изучал характеристики «вентильных фотоэлементов» – это название (кстати, Курчатов одним из первых ввел его в науку) означало, что открыт новый вид фотоэффекта – на границе соприкосновения двух тел. Но особое место среди всех этих работ занимает исследование карборундовых разрядников. Игорь Васильевич в своей автобиографии ставил его в один ряд с работой по сегнетоэлектрикам.
«Это была последняя дань, которую отдал Игорь Васильевич проблеме диэлектриков, перешедшей уже, впрочем, в проблему электронных полупроводников», – писал Абрам Федорович Иоффе.
Чем же близка была Курчатову эта проблема? Видимо, прежде всего тем, что диктовалась она острыми нуждами практики. С развитием электрификации страны все больше строилось высоковольтных линий, все актуальнее становилась проблема их защиты от атмосферных разрядов, в первую очередь от ударов молнии.
...Так состоялась первая встреча Игоря Васильевича с молнией, правда, пока не атомной.
При ударе молнии в линию электропередачи резко возрастает напряжение. Чтобы линия не вышла из строя, избыток напряжения нужно быстро отвести в землю. Для этого на линиях и ставят разрядники. Когда линия находится под обычным напряжением, сопротивление разрядника должно быть очень велико, чтобы ток не уходил по нему в землю. При резком возрастании напряжения (удар молнии) сопротивление разрядника должно так же резко падать, иначе избыток напряжения не успеет уйти в землю и линия выйдет из строя.
Столь своеобразно работающие сопротивления в то время уже были известны и применялись в разрядниках за границей. Но они были сложны в производстве и потому очень дороги.
И. В. Курчатов и его ученик Л. И. Русинов решили создать новое саморегулирующееся сопротивление. Было ясно, что такое сопротивление можно создать не из сплошного материала, а из зернистого, в котором между зернами остается воздушный зазор. Этот зазор будет барьером на пути тока, пока напряжение не велико. При ударе молнии напряжение возрастет, наступит пробой, и лавина тока, словно через открывшийся шлюз, стечет в землю. Из какого же материала лучше всего изготовить такое зернистое сопротивление?
Зерна из этого материала должны при малых напряжениях служить почти изолятором, а при возникновении перенапряжений мгновенно становиться хорошим проводником.
Абрам Федорович написал: «Загадочными представлялись электрические свойства применявшихся в высоковольтной технике карборундовых предохранителей».
И. В. Курчатов и его сотрудники занимались применявшимися предохранителями и искали новые, разрабатывали, внедряли.
Цитирую их высказывания: «...в порядке проб испытаны прессованные порошки карборунда и сцементированный кварцем карборунд, изготовленный заводом „Ильич“. На этом карборунде мы и провели в дальнейшем наши исследования».
Итак, и Игорь Васильевич и его сотрудники остановились на сцементированном кварцем карборунде. Карборунд – карбид кремния. Чистый карборунд – бесцветные прозрачные кристаллы, с примесями он имеет черную или зеленую окраску. Для карборунда характерны высокая теплопроводность и твердость, близкая к алмазу.
Изготовив образцы с мелкокристаллической массой и большим числом зазоров, исследователи стали измерять уменьшение сопротивления с ростом напряжения, время запаздывания при срабатывании. Выходило, что карборундовая масса может отводить удары молний не хуже зарубежных разрядников.
Это и цикл работ, посвященных полупроводниковым выпрямителям и фотоэлементам, получившим сейчас широчайшее применение. Еще в 1929 году Курчатов исследовал механизм выпрямления в некоторых солях, изучал характеристики «вентильных фотоэлементов» – это название (кстати, Курчатов одним из первых ввел его в науку) означало, что открыт новый вид фотоэффекта – на границе соприкосновения двух тел. Но особое место среди всех этих работ занимает исследование карборундовых разрядников. Игорь Васильевич в своей автобиографии ставил его в один ряд с работой по сегнетоэлектрикам.
«Это была последняя дань, которую отдал Игорь Васильевич проблеме диэлектриков, перешедшей уже, впрочем, в проблему электронных полупроводников», – писал Абрам Федорович Иоффе.
Чем же близка была Курчатову эта проблема? Видимо, прежде всего тем, что диктовалась она острыми нуждами практики. С развитием электрификации страны все больше строилось высоковольтных линий, все актуальнее становилась проблема их защиты от атмосферных разрядов, в первую очередь от ударов молнии.
...Так состоялась первая встреча Игоря Васильевича с молнией, правда, пока не атомной.
При ударе молнии в линию электропередачи резко возрастает напряжение. Чтобы линия не вышла из строя, избыток напряжения нужно быстро отвести в землю. Для этого на линиях и ставят разрядники. Когда линия находится под обычным напряжением, сопротивление разрядника должно быть очень велико, чтобы ток не уходил по нему в землю. При резком возрастании напряжения (удар молнии) сопротивление разрядника должно так же резко падать, иначе избыток напряжения не успеет уйти в землю и линия выйдет из строя.
Столь своеобразно работающие сопротивления в то время уже были известны и применялись в разрядниках за границей. Но они были сложны в производстве и потому очень дороги.
И. В. Курчатов и его ученик Л. И. Русинов решили создать новое саморегулирующееся сопротивление. Было ясно, что такое сопротивление можно создать не из сплошного материала, а из зернистого, в котором между зернами остается воздушный зазор. Этот зазор будет барьером на пути тока, пока напряжение не велико. При ударе молнии напряжение возрастет, наступит пробой, и лавина тока, словно через открывшийся шлюз, стечет в землю. Из какого же материала лучше всего изготовить такое зернистое сопротивление?
Зерна из этого материала должны при малых напряжениях служить почти изолятором, а при возникновении перенапряжений мгновенно становиться хорошим проводником.
Абрам Федорович написал: «Загадочными представлялись электрические свойства применявшихся в высоковольтной технике карборундовых предохранителей».
И. В. Курчатов и его сотрудники занимались применявшимися предохранителями и искали новые, разрабатывали, внедряли.
Цитирую их высказывания: «...в порядке проб испытаны прессованные порошки карборунда и сцементированный кварцем карборунд, изготовленный заводом „Ильич“. На этом карборунде мы и провели в дальнейшем наши исследования».
Итак, и Игорь Васильевич и его сотрудники остановились на сцементированном кварцем карборунде. Карборунд – карбид кремния. Чистый карборунд – бесцветные прозрачные кристаллы, с примесями он имеет черную или зеленую окраску. Для карборунда характерны высокая теплопроводность и твердость, близкая к алмазу.
Изготовив образцы с мелкокристаллической массой и большим числом зазоров, исследователи стали измерять уменьшение сопротивления с ростом напряжения, время запаздывания при срабатывании. Выходило, что карборундовая масса может отводить удары молний не хуже зарубежных разрядников.