Абрам Федорович Иоффе

Другим центром будущей советской физики в Петербурге был Политехнический институт, в котором начал свою научную деятельность в России выдающийся организатор советской физики Абрам Федорович Иоффе.

Л. Ф. Иоффе

Абрам Федорович Иоффе родился 29 октября 1880 г. в г. Ромны Полтавской губернии. Окончив в 1897 г. Роменское реальное училище (с дополнительным классом), он в том же году поступил в Петербургский технологический институт. После окончания Петербургского технологического института он по совету профессора физики этого института Н. А. Гезехуса и президента Палаты мер и весов профессора Н. Г. Егорова поехал в Мюнхен к знаменитому автору открытия лучей, носящих его имя,- Рентгену. В Мюнхен Иоффе приехал в декабре 1902 г.

Основной целью 22-летнего физика было получение экспериментальной подготовки, которой он не мог получить в Петербурге. Рентген сразу направил его в физический практикум, состоящий из 100 задач. По окончании практикума Рентген поручил Иоффе сравнить новый метод Друде измерения диэлектрических постоянных со старым. Затем Иоффе занимался проверкой опытов Кюри по выделению энергии радием и по выяснению процесса выделения этой энергии, для чего в первую очередь Иоффе начал изучать магнитные свойства радия.

После этих опытов Рентген назначил Иоффе своим ассистентом и поручил ему исследовать причину пьезоэлектрических явлений. Необходимо было выяснить, что вызывает эти явления: упругое напряжение кристалла или деформация его частей. Так Иоффе вошел в область физики твердого тела, которая на всю жизнь стала основной областью его научных интересов. Первый вопрос, рассмотренный Иоффе в связи с исследованием пьезоэлектричества, был вопрос о природе упругого последействия. Явления последействия показывают, что форма и размеры твердого тела зависят от предыдущей истории. Но еще Максвелл показал, что в неоднородных веществах могут иметь место явления, аналогичные внутреннему трению или упругому последействию. "Возникает вопрос,- писал Иоффе,- является ли неоднородность единственной причиной последействия. Не окажется ли правильно построенный одиночный кристалл совершенно свободным от какого-либо последействия".

Иоффе исследовал это на кварце, что соответствовало вопросу, поставленному Рентгеном о причинах пьезоэлектричества. "В первом примененном мною методе я пользовался пьезоэлектричеством для измерения последействия. Тонкая пластинка кварца, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси с главной осью, направленной по ширине пластинки, была снабжена серебряными электродами и подвергалась нагрузке... Один из электродов был заземлен. Другой сначала под нагрузкой кратковременно заземлялся, а потом присоединялся к электрометру".

Однако этот метод не давал надлежащей точности. Эффект последействия не превышал возможных ошибок. Поэтому Иоффе перешел к другому - интерференционному методу. Иоффе измерял изгиб пластинки, опирающейся на две призмы. "Свет натрия отражался от нижней поверхности пластинки, покрытой полупрозрачным слоем серебра, и от ее верхней поверхности, давая интерференционные полосы. При медленном прогибе исследуемой кварцевой пластинки полосы перемещались. Опыт показал наличие медленно ползущей деформации, превышающей ошибки наблюдения. Но оказывается, что существуют побочные явления, которые могут симулировать остаточную деформацию. Во-первых, переход первоначальной более слабой адиабатичной деформации в изотермическую приводит к росту деформации. "Однако, вычисляя скорость этой деформации, мы находим, что это явление не может считаться ответственным за наблюдение упругого последействия".

Существует, однако, другой источник наблюдения эффекта - вторичные электрические эффекты, возникающие при деформации. В результате деформации в пластинке возникает объемный заряд, сохраняющийся длительное время, поскольку кварц - хороший изолятор. Нейтрализацию зарядов можно ускорить, покрыв поверхность проводящим слоем серебра. "Ускорение процесса нейтрализации должно также ускорить соответствующую деформацию. Это предположение было подтверждено на опыте,- впрочем, еще недостаточно убедительно, чтобы иметь возможность с уверенностью доказать электрический характер упругого последействия".

Тогда Иоффе сделал попытку снимать заряд непосредственно, путем облучения кварца радием или рентгеновскими лучами. Рентген был противником этого. Он только что опроверг мнение Д. Д. Томсона, наблюдавшего повышение электропроводности диэлектриков под влиянием рентгеновских лучей. Рентген показал, что это увеличение электропроводности обязано своим происхождением электрическому току, идущему через воздух вокруг диэлектрика. Однако Иоффе был твердо убежден в том, что эффект ионизации рентгеновским и радиоактивным излучением должен иметь место и в твердых телах. Он продолжал свои исследования, изучая влияние рентгеновских лучей, бета-лучей радия, ультрафиолетовых лучей на электропроводность изоляторов. "Оказалось, что под влиянием лучей электропроводность возрастает постепенно в течение многих дней, приближаясь к некоторому максимальному значению, во много раз превосходящему первоначальную электропроводность кварца... Полное наблюденное упругое последействие в пьезоэлектрической пластинке никогда не превышало вторичного электрического эффекта. Таким образом, упругое последействие изменяется под действием ионизирующих лучей, которые вряд ли могут вызвать непосредственно упругие явления. В тех случаях, когда я был в состоянии измерить полный эффект, он оказывался равным электрическому". Продолжая исследования, Иоффе убедился, что и реальное упругое последействие в кварце, если бы таковое существовало, не могло быть больше, чем 3*10^-5 деформации. Это на самом деле весьма низкий предел, если принять во внимание размер обычно наблюдаемых упругих последействий, доходящих до 3*10^-2 деформации, а иногда еще выше. Этот результат, полученный в 1904 г., был подтвержден в 1906 г. М. Бриллюэном, пользовавшимся кварцевыми пружинами и доказавшим отсутствие последействия". В ходе этих исследований Иоффе открыл свойство каменной соли, подвергнутой предварительно рентгеновскому облучению, повышать свою электропроводность под действием света. Исследование свойств каменной соли стало предметом многолетнего труда Рентгена и Иоффе.

Для самого же Иоффе исследование упругого последействия в кварце означало официальное признание как физика. 5 июня 1905 г. он защитил в Мюнхенском университете докторскую диссертацию на тему "Упругие последействия в кристаллическом кварце". Защита прошла весьма успешно и принесла Иоффе ученую степень доктора с высшим отличием. Рентген предложил молодому доктору остаться навсегда в Германии в должности профессора Мюнхенского университета. Это было очень лестное и заманчивое предложение, тем более что положение самого Иоффе в России представлялось далеко не радужным, он не мог даже быть уверенным в том, что ему предоставят возможность работать в высшей школе. Тем не менее Иоффе твердо решил возвратиться в Россию и 7 августа 1906 г. приехал в Петербург. В это время в России уже господствовала мрачная реакция после поражения революции 1905 г. Иоффе считал, что в такое тяжелое время он не имеет морального права покинуть родину. "Я написал Рентгену, что не вернусь, что совесть не позволяет мне оставить Родину в то время, когда торжествует реакция". Сам Иоффе в эти годы по своим убеждениям был марксистом. Начало его научно-педагогической деятельности в России было весьма скромным. Он поступил в Петербургский политехнический институт на внештатную должность лаборанта кафедры физики, которой руководил проф. В. В. Скобельцын. С 1 апреля 1908 г. по представлению Скобельцына Иоффе был определен на штатную должность старшего лаборанта. Скромная служебная должность не помешала Иоффе развернуть активную научную работу. Он продолжал начатые в Мюнхене исследования упругих и электрических свойств кристаллов и вместе с тем начал фундаментальные исследования по квантовой теории света. Иоффе был одним из первых физиков, понявших фундаментальное значение концепции световых квантов Эйнштейна. В 1907 г. он экспериментально подтвердил идеи Эйнштейна в области внешнего фотоэффекта. Он продолжал эти исследования с целью окончательной проверки уравнения Эйнштейна, однако его опередил Милликен. Вместе с тем Иоффе увлекся мыслью построить теорию газа, состоящего из световых квантов, подобно тому как обычный газ состоит из молекул. Во время поездки за границу он беседовал по поводу этой теории с Планком, и создатель теории квантов сказал ему, что эта вещь очень основательная, к которой следует отнестись со всей серьезностью. Но в дальнейшем Планк отнесся к теории Иоффе отрицательно. "Помимо явных отличий фотонов от молекул газа (несохранения числа фотонов) и необходимости актов поглощения и испускания для достижения равновесия, он особенно подчеркивал желательность остаться в рамках теории Максвелла. "Она так много дала физике и, наверное, еще немало полезного даст в будущем, надо поэтому быть ей благодарным, без крайней необходимости не отступать от нее. Раньше, чем рассматривать другую точку зрения, следует убедиться, что положение старой - безвыходно. Лучше бы вы придумали, как понять факты, приведенные Эйнштейном в рамках классической теории". Планк все еще надеялся, что это возможно".

Характерный пример борьбы старого и нового в истории науки. Даже сам автор теории квантов боится ее революционного значения, упорно стремясь примирить новые факты со старой теорией. А молодой физик, наоборот, воодушевленный новыми идеями, стремится довести их до полного завершения. Статья Иоффе "К теории лучистой энергии" появилась в ЖРФХО в 1910 г. и на немецком языке в 1911 т. В своей статье Иоффе показал, что классическая статистика приводит к формуле Вина, тогда как формула Планка требует новой статистики, допускающей в фазовой ячейке любое число квантов. Как оказалось в дальнейшем, вывод формулы Планка для световых квантов требует новой статистики Бозе-Эйнштейна.

Другой областью научных интересов Иоффе этого периода была электроника. Ему удалось доказать, что поток катодных частиц окружен магнитным полем. Эта, казалось бы, тривиальная вещь не поддавалась до Иоффе экспериментальной проверке. Такие экспериментаторы, как Герц, Гейтлер и др., не смогли обнаружить магнитное поле катодных лучей. Иоффе усматривал причины отрицательного результата своих предшественников в недостаточно совершенной экспериментальной технике. Он тщательно проанализировал их неудачи и тщательно продумал экспериментальную установку, которая должна была привести к успеху. Его установка состояла из разрядной трубки с катодом Венельта. Испускаемые катодом электроны ускорялись в пространстве между катодом и диафрагмой и через диафрагму выпускались в другую трубку W, покрытую изнутри толстым слоем серебра и обернутую снаружи станиолем. Оттуда они достигали сферического полого электрода F, соединенного с гальванометром, измеряющим силу электронного тока. Трубка W могла заменяться проволочкой, питаемой током, измеряемым тем же гальванометром. Магнитное поле измерялось с помощью системы постоянных магнитов, подвешенных на кварцевой нити.

Полученные результаты Иоффе формулирует следующим образом: "Изложенные наблюдения устанавливают существование магнитного поля катодных лучей. Количественно это поле совпадает в пределах достигнутой точности (5%) с полем эквивалентного тока, несущего то же количество электричества. Таким образом, между потоком свободного электричества и токами в металлах нет никакой разницы по отношению к вызываемому ими магнитному полю. Отрицательные же результаты всех предыдущих работ вполне объясняются постановкой опытов".

Эти опыты вместе с опытами по элементарному электрическому эффекту составили содержание магистерской диссертации Иоффе, защищенной им в 1913 г. Опыты по элементарному электрическому эффекту имели целью измерить заряд электрона. В них Иоффе не только доказывал дискретность элементарного заряда, но и стремился изучить элементарный процесс вырывания электрона светом. Результат Иоффе сыграл важную роль в установлении атомарности электричества в связи с опытами Милликена и Эренгафта. Иоффе изучал поведение металлических пылинок в электрическом поле плоского конденсатора. Пылинки образовывались распылением цинковых электродов электрической дуги. А. Ф. Иоффе вывел из своих опытов заключение, что "опытное доказательство существования электрона можно считать законченным". Далее Иоффе пытался определить свойства излучения в процессе фотоэффекта. Он утверждал, что "в фотоэлектрическом эффекте мы имеем непосредственное превращение световой энергии в электрическую, в простых законах его проявляются основные свойства лучистой энергии".

Иоффе обратил внимание на тот факт, что в теории излучения Планка исследуются средние суммарные величины, а не отдельные акты. Путь Планка, "казалось бы, наименее пригоден для вскрытия свойств элементарного явления - тем более поразительно, что он привел к результатам, применимым к теории освобождения электронов светом",- писал Иоффе. "Очевидно, однако,- продолжает Иоффе,- что уяснения вопроса об атомах действия надо искать не в черном излучении, а в элементарных актах превращения лучистой энергии, и прежде всего в фотоэлектрическом явлении". Опыты Иоффе вскрыли статистический характер вырывания электронов светом. Он пришел к выводу, что "статистический характер фотоэлектрического эффекта естественно вытекает из статистической теории лучистой энергии в той ее наиболее элементарной форме, которая была предложена A. Einstein' ом и которая получила название теории атомов света".

Работа Иоффе затрагивала, таким образом, самые животрепещущие вопросы тогдашней физики: вопрос о дискретности электричества и вопрос о дискретности света. Оба эти вопроса в опытах Иоффе решались положительно. А. Ф. Иоффе наряду с Милликеном экспериментально подтвердил и существование заряда электрона, и существование квантов света. Защита магистерской диссертации Иоффе, состоявшаяся 9 мая 1913 г., прошла блестяще. Оппоненты считали, что диссертант заслуживает степень доктора, и только отсутствие прецедента не позволило этого сделать. Очень скоро молодой магистр получил должность экстраординарного профессора в Политехническом институте и приступил к чтению курса общей физики.

Работа над магистерской диссертацией не прервала основной работы Иоффе, начатой еще в Мюнхене, по изучению упругих и электрических свойств кристаллов. В начале 1915 г. он представил докторскую диссертацию "Упругие и электрические свойства кристаллов". 30 апреля 1915 г. Иоффе ее защитил. После защиты и присуждения ему докторской степени Иоффе был назначен ординарным профессором Политехнического института. Читаемые им курсы в отличие от традиционных, "академических", курсов были насыщены современным содержанием, подводили слушателя к научным проблемам физики сегодняшнего дня. Они возбуждали у слушателей интерес к науке, желание самим заняться исследованиями и в этом отношении сыграли мобилизующую роль, привлекая будущих исследователей. Особенно большое значение имел научный семинар, организованный А. Ф. Иоффе для своих слушателей и сотрудников. Из этого семинара вышли будущие ведущие советские ученые: П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, П. И. Лукирский, Я. И. Френкель и многие другие. "Во всей России,- вспоминал один из участников семинара проф. Я. Г. Дорфман,- не было места, где бы физика изучалась с более современной точки зрения, и каждый из нас это чувствовал". Когда после Великого Октября А. Ф. Иоффе организовал Физико-технический институт, участники его семинара составили ядро этого института.