Валерий Чолаков
Нобеловите награди (26) (Учени и открития (1901–1982))

Магнитни явления

В историята на физиката важно място заемат изследванията върху магнетизма. Този феномен, известен още от древността, стана обект на научни експерименти още в 17 век, но едва две столетия по-късно бяха получени достатъчно данни за неговата същност, обобщени от Максуел в 1865 г. в единна теория за електромагнитното поле.

Нов етап в изследването на магнитните явления настъпи в 1880 г. с електронната теория на Лоренц. Голям успех за тази теория бе предсказването и откриването на влиянието на магнитното поле върху излъчването на светлината. Питер Зееман, който откри ефекта, и Хендрик Лоренц получиха за това Нобеловата награда по физика през 1902 г.

По-нататък развитието на теорията за магнетизма е свързано с името на френския физик Пол Ланжвен. В 1905 г. той създаде електронната теория на диамагнетизма и парамагнетизма. Тези две понятия бяха въведени в науката през 1845 г. от Майкъл Фарадей. Най-общо казано, парамагнетиците се привличат от магнитното поле, а диамагнетиците се отблъскват. Теорията на Ланжвен свързваше диамагнетизма е особеностите на електронните орбити, а парамагнетизма с ориентацията на собствените магнитни моменти на атомите и молекулите. По-нататък се оказа, че източник на магнитно поле е не само движението на електрона около ядрото на атома, но и неговият спин. Всъщност самото явление спин, което отначало се уподобяваше на въртене на частицата около оста й, бе открито при изследване на магнитни явления и по-специално ефекта на Зееман. Експериментите посочиха и трети източник на магнетизъм — самото ядро на атома. Неговото магнитно поле възниква като резултат от силните взаимодействия между ядрените частици — нуклоните.

Още първите изследвания върху магнетизма са били правени с железни руди. И наистина желязото създава необикновено силно магнитно поле, поради което цялата съвкупност от тези негови свойства се обозначава с термина феромагнетизъм. Фарадей смяташе, че това е просто крайна форма на парамагнетизъм. По-късно се разбра, че има известни различия. Сред първите опити да се създаде теория на феромагнетизма трябва да се отбележат работите на френския учен Пиер Вайс от началото на века. В 1907 г. той въведе представите за т.нар. домени — области във феромагнитните кристали, всяка от които е намагнетизирана до насищане. Направлението на тази намагнетизираност е разпределено хаотично и кристалът като цяло не показва магнитни свойства.

Сред френските физици съществува цяла школа в областта на магнетизма. Един от продължителите на тази традиция в изследванията е Луи Неел. Както Пиер Вайс и Пол Ланжвен, той също е академик. През 1932 г., работейки в Страсбургския университет, Неел откри явлението антиферомагнетизъм. Докато при феромагнитните кристали магнитните моменти на атомите са ориентирани в една посока, при антиферомагнетиците те се редуват в противоположни посоки и взаимно се компенсират.

В 1948 г. Неел, вече професор в Гренобълския университет, се зае с феритите — един вид съединения на желязото със специфична структура и магнитни свойства. Френският учен даде обяснение за силния магнетизъм на феритите и показа, че в техните кристали подреждането на атомните магнитни моменти е както при антиферомагнетиците, но величината им в едната посока е по-голяма, отколкото в обратната и затова няма компенсиране. На базата на своята теория той можа да предскаже съществуването на нови синтетични магнитни материали. За своите фундаментални работи и за откритията си Луи Неел стана Нобелов лауреат по физика през 1970 г., когато бе награден заедно с Ханес Алвен.

Един от създателите на съвременните представи за магнитните явления е американският физик Джон Хасбрук Ван Флек. Между 1926 и 1928 г., работейки в Минесотския университет, той разви квантовата теория на диамагнетизма и парамагнетизма на атомите и молекулите. Първоначално теорията разглеждаше газове и неметални тела, но впоследствие бе разширена и за кристалите. В 1932 г. Ван Флек написа монография по тези въпроси, която стана широко известна в научните среди. През 30-те години тази и други работи на Ван Флек се оказаха много ценни за развитието на квантовата теория на химичната връзка. След един дълъг плодотворен творчески път, запазил работоспособността си до преклонна възраст, този учен стана лауреат на Нобелова награда по физика през 1977 г., когато беше вече 88-годишен. Джон Ван Флек получи това високо признание за своите изследвания върху магнетизма на веществата и по-специално в подредените магнитни системи, каквито са кристалите.

Заедно с Ван Флек бяха наградени и Филип Андерсън, негов ученик от Харвард, и английският физик Невил Мот. Андерсън е известен със своите работи върху магнетизма и свръхпроводимостта, а Мот с множество изследвания в различни области на физиката на твърдото тяло, правени в течение на почти четири десетилетия. Но всъщност и двамата учени станаха Нобелови лауреати за изследванията си върху електронните състояния в неподредени системи, към които се отнасят течните, аморфните и стъклообразните вещества.

В съвременната наука неподредените системи са едно от най-модерните направления за изследване. Например с аморфните полупроводници се свързват надеждите за по-нататъшното развитие на микроелектрониката. Едно признание за тази област бе удостояването с Нобелова награда на Филип Андерсън и Невил Мот през 1977 г.

Важно място в изследването на магнетизма имат експериментите по измерването на магнитните моменти на атомите и частиците. В 1922 г. Ото Щерн и Валтер Герлах от Франкфуртския университет пропуснаха атоми от сребро през вакуумна камера между двата полюса на магнит. Както се очакваше, потокът се раздели на две и върху екрана се образуваха две сребърни петънца. Това потвърди, че атомите са като миниатюрни магнитчета с магнитна ос и северен и южен полюс и могат да имат две ориентации в пространството спрямо външно магнитно поле.

В 1933 г. Ото Щерн, заедно с Ото Фриш, измери в Хамбургския университет магнитния момент на протона във водородната молекула, като пропускаше тези частици през магнитно поле. Методът бе доста груб и за да се получат точни резултати, трябваше да се усъвършенствува. Това извърши през 1937 г. Айсидор Айзак Раби в Колумбийския университет. Този учен съчета магнитното поле с високочестотно излъчване и започна да определя магнитните моменти на атомите, използвайки резонансни явления. Това увеличи стократно точността на измерването.

Изследванията върху магнитните свойства на атомите имаха важно значение за изучаването на тяхната структура. Ото Щерн получи през 1943 г. Нобеловата награда по физика за създадения от него метод на молекулярните струи и откриването на магнитния момент на протона. Наградата за 1944 г. получи Айсидор Раби за разработването на резонансен метод за регистрация на магнитните свойства на атомните ядра.

В 1946 г. швейцарецът Феликс Блох, който работеше в Станфордския университет, и американецът Едуард Милс Пърсел от Харвард създадоха независимо един от друг точни методи за определяне на магнитния момент на атомните ядра. Магнитното поле на ядрото е около хиляда пъти по-малко от магнитното поле на електрона и за неговото изследване бе необходима извънредно чувствителна апаратура. В експериментите на Раби бяха измерени магнитните моменти на протона, неутрона и някои леки ядра. Получаваха се много точни резултати, но с цената на голяма сложност на опитната постановка. Взаимодействието на магнитните моменти с високочестотното излъчване се установяваше по отклонението на частиците в магнитно поле.

При методите на ядрен магнитен резонанс, предложени от Пърсел и Блох, изследваното вещество може да бъде в твърдо, течно или газообразно състояние. Взаимодействието на ядрените моменти с полето се наблюдава като магнитен ефект, който лесно се улавя от апаратурата. Най-общо казано, се измерва поглъщането на енергията на радиочестотното поле или се определя електромагнитната индукция в образеца.

Ядреният магнитен резонанс се оказа сравнително лесно достъпен способ за изследване на магнитните моменти на ядрата. След първото му приложение в края на 1945 г. той бе широко използван за изучаване на химичните елементи и техните многобройни изотопи. По-нататъшното усъвършенствуване на метода даде възможност да се определи влиянието на електронната обвивка върху магнитния момент на ядрата. Стана възможно да се изследва електронният строеж на атомите и молекулите, а оттам и структурата на веществото. Изследователският метод, създаден от Феликс Блох и Едуард Пърсел, намери широко приложение в съвременната наука и донесе на тези двама учени Нобеловата награда по физика за 1952 г.

В 1947 г. двама млади физици от лабораторията на Айзак Раби направиха важни открития върху взаимодействието на електроните с електромагнитни полета. Поликарп Каш се занимаваше с магнитния момент на електрона, а Уилис Лем изучаваше фините спектри на оптическото излъчване на водорода. Техните изследвания се оказаха много важни за окончателното оформяне на електродинамиката, което направиха Фейнман, Шуингър и Томонага — Нобеловите лауреати от 1965 г.

Резултатите от спектралните изследвания на Уилис Лем показаха, че електронът във водородния атом не се движи точно по орбитите, предписани от теорията. Той като че ли непрекъснато се тресе и отклонява настрани. Според квантовата електродинамика това е резултат от взаимодействието между електрона и вакуума.

В съвременната физика все повече се налага мнението, че вакуумът не е нищо, че той има някаква микроструктура. Така например под действието на електромагнитното поле във вакуума възникват и веднага изчезват двойки електрони и позитрони. Именно тези така наречени „виртуални“ частици смущават движението на електрона по неговата орбита, което се забелязва по спектралните линии на излъчването.

В експериментите на Поликарп Каш с метода на молекулярните снопове се определяше отношението на магнитния момент на протона към орбиталния магнитен момент на електрона във водородния атом. Оказа се, че магнитният момент на електрона е по-голям, отколкото следва от теорията на Дирак. Обяснението бе аналогично на това при спектрите на Лем. Електронът не е „гол“, той е обкръжен от виртуални частици — призраци, раждащи се във вакуума. Това води до увеличаване на неговия магнитен момент.

Тези прецизни изследвания, направени в края на 40-те години, открехнаха завесата към други, по-фундаментални свойства на материята и поставиха въпроса за структурата на вакуума и въобще дали съществува абсолютен вакуум. Напоследък дори се заговори за връщане към представите за етера, доминирали до края на 19 в., разбира се на качествено нов етап. Големият принос на Уилис Лем и Поликарп Каш бе бързо оценен и още в 1955 г. те получиха Нобеловата награда по физика.