Частота обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий постоянного поля зависит также и от природы атома. Кроме того, точно такой же эффект наблюдается и в молекулах. Это позволяет воспользоваться методом парамагнитного резонанса для исследования структуры и химического состава различных веществ.
Парамагнитный резонанс обладает необычайной чувствительностью, позволяя регистрировать уровни энергии, совершенно недоступные для оптических методов. Так как обычно химические активные центры (радикалы), активизирующие течение многих реакций, имеют собственные магнитные моменты, парамагнитный резонанс позволяет легко обнаруживать возникновение радикалов в ходе сложных химических реакций и определять их природу. В последние годы парамагнитный резонанс все шире применяется в биологии для анализа тонких деталей биохимических реакций, протекающих в живых организмах.
Академик Е. К. Завойский открыл также и аналогичное по природе явление ферромагнитного резонанса, теория которого еще в 1935 г. была развита академиком Л. Д. Ландау и членом-корреспондентом АН СССР Е. М. Лифшицем.
ИСКУССТВЕННЫЕ АЛМАЗЫ
Алмаз — редкий и драгоценный минерал. Сколько легенд и загубленных человеческих жизней связано с историей крупных алмазов! Достаточно напомнить, что в 1829 г., после жестокого убийства А. С. Грибоедова в Персии, персидский принц Хосров-Мирза направил русскому царю крупный алмаз «Шах», цена которого, по мнению принца, окупала смерть выдающегося русского писателя и дипломата. Но алмазы нужны не только ювелирам и царям. С каждым годом растет на них промышленный спрос. Около 85 % мировой добычи природных алмазов используется сейчас для различных технических нужд. Алмазные резцы и пилы, буры и шлифовальные круги не имеют равных себе конкурентов.
Советский Союз долгое время не располагал отечественными алмазами и вынужден был ввозить их из-за рубежа. В 1954 г. советские геологи нашли в Якутии первое коренное месторождение природных алмазов — кимберлитовую трубку «Зарница». А к концу 1955 г. было обнаружено около десяти месторождений алмазов, пригодных для промышленной разработки. Однако потребность в алмазах растет год за годом и это делало весьма важной задачу создания искусственных алмазов.
Еще перед второй мировой войной советский физико-химик О. И. Лейпунский рассчитал фазовую диаграмму системы графит — алмаз и показал, что при давлении порядка 60 000 атмосфер и температуре выше 2000° кристаллическая решетка графита может путем уплотнения и сближения атомов перейти в решетку алмаза.
В одной из своих статей О. И. Лейпунский писал в 1946 г.: «Во-первых, надо нагреть графит не меньше, чем до 2000°, чтобы атомы углерода могли переходить с места на место. Во-вторых, его надо при этом сжать чудовищным давлением, не меньшим, чем в 60 000 атмосфер. Тогда он обязательно перейдет в алмаз, подобно тому, как камень, подброшенный рукой, обязательно поднимется с земли в воздух».
Однако практическая реализация этой программы оказалась весьма трудным и небезопасным делом. В Советском Союзе эту проблему успешно решили ученые Института физики высоких давлений АН СССР под руководством академика Леонида Федоровича Верещагина. Они разработали специальные «алмазные» прессы и методы контроля основных физических параметров в камерах, где протекает синтез алмазов.
Первые советские искусственные алмазы имеют размеры порядка 1 мм. Они оказались тверже природных алмазов и с успехом применяются в промышленности. Их используют для обработки сверхтвердых сплавов и для изготовления самых долговечных инструментов, с их помощью режут полупроводниковые материалы, трудно поддающиеся обычным методам обработки. С помощью алмазных пил можно легко получать облицовочные плитки из гранита и мрамора, по толщине и стоимости близкие к керамическим плиткам.
В 1966 г. академик Л. Ф. Верещагин получил искусственные алмазы размером 3–4 мм, пригодные для работы в буровых инструментах. Одновременно был синтезирован еще один сверхтвердый материал — кубический нитрид бора (боразон). По своей твердости он несколько уступает алмазу, но зато является более устойчивым к влиянию высоких температур. Это делает боразон весьма ценным в техническом отношении материалом.
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
Советские физики сделали весьма крупный вклад в изучение физики низких температур.
Академик П. Л. Капица создал новый тип машин для производства жидкого воздуха — турбодетандеры, работающие при низких давлениях. Эти машины получили в дальнейшем весьма широкое распространение.
Академик Л. Д. Ландау разработал теорию перехода металлов в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит не мгновенно, а через так называемое промежуточное состояние, являющееся своеобразной смесью сверхпроводящих и несверхпроводящих слоев. Наличие таких слоев в металле в условиях переходного состояния было подтверждено членом-корреспондентом АН СССР А. И. Шальниковым в исключительно тонких экспериментах.
В 1957 г. академик Н. Н. Боголюбов разработал (одновременно с американскими физиками Бардиным, Купером и Щрифером) теорию сверхпроводимости.
Развитая академиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом и членами-корреспондентами АН СССР А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым теория сверхпроводящих сплавов (так называемый «метод ГЛАГ») открывает путь к получению сверхпроводников, пригодных для различных практических применений.
В этом разделе мы остановимся подробнее на замечательном открытии, сделанном академиком Петром Леонидовичем Капицей, — сверхтекучести жидкого гелия.
Если охладить гелий до температуры T=4,8° К, он превращается в легкую прозрачную жидкость. Имея крайне малую теплоемкость, эта жидкость непрерывно кипит вследствие небольшого притока тепла даже в условиях специальной тепловой изоляции. Понизив температуру жидкого гелия до 2,19° К, можно убедиться, что кипение мгновенно прекращается. Оказывается, что ниже 2,19° К жидкий гелий приобретает особые свойства — он становится единственной известной нам квантовой жидкостью. Принято говорить, что при этой температуре гелий-I (обычный гелий) переходит в гелий-II. Все жидкости затвердевают задолго до того, как в них начнут проявляться квантовые свойства. Только гелий-II остается жидким даже при температурах, максимально близких к абсолютному нулю.
Голландский физик Кеезом, один из первых исследователей гелия-II, в 1936 г. показал, что теплопроводность гелия-II, измеренная в капиллярах, намного выше теплопроводности меди или серебра — наиболее теплопроводных металлов. Поэтому Кеезом назвал гелий-II сверхтеплопроводным веществом.
В 1937 г. академик П. Л. Капица повторил опыты Кеезома, видоизменив методику измерения, и получил для гелия-II еще более высокое значение теплопроводности. Расчеты показали, что она намного превышает максимальное значение теплопроводности, которую мог бы иметь гелий-II исходя из обычных представлений о механизме передачи тепла этим способом. Тогда П. Л. Капица обратился к другому возможному механизму передачи тепла в жидкости — к конвекции. Более нагретая часть жидкости имеет меньшую плотность и как бы всплывает к поверхности, в то время как менее нагретая и более плотная часть опускается на дно. Очевидно, причиной, вызывающей эти движения, является действие силы тяжести. Подсчеты показали, что если истинной причиной сверхбыстрого распространения тепла в гелии-II является конвекция, то конвекционные потоки в нем должны возникать и распространяться с чрезвычайной легкостью. А это означало бы, что вязкость гелия-II ничтожна. Поставленные опыты подтвердили, что она меньше чем 10−11 пуаза (для сравнения укажем, что вязкость воды при комнатной температуре равна 10−2 пуаза). Таким образом, гелий-II оказался в миллиард раз более текучей жидкостью, чем вода. Это и позволило П. Л. Капице назвать его сверхтекучим.
Продолжая, исследования, П. Л. Капица показал, что обычный механизм конвекции под влиянием силы тяжести к гелию-II неприменим. Этой силы просто недостаточно, чтобы обеспечить столь большую передачу тепла, которая наблюдается в эксперименте. Затем были поставлены опыты, которые, казалось бы, еще более запутали и осложнили ситуацию (забегая несколько вперед, заметим, что именно они и помогли найти правильное решение проблемы).