Курчатов - Асташенков Петр Тимофеевич (хорошие книги бесплатные полностью TXT) 📗

«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».

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.