Школа физики

Школа физики в Томском политехническом университете

Становление физики как науки в Томском политехническом университете связано с именем профессора Б.П. Вейнберга, который руководил кафедрой физики и заведовал физической лабораторией Томского технологического института в течение 15 лет (1909 – 1924 гг.) и все эти годы оставался единственным доктором физики в Сибири.

Мировое значение работ Б.П. Вейнберга в основном связано с его исследованиями в областях:

1 – физики твердого тела (механические свойства металлов, диэлектриков, аморфатов, поведение твердого тела за пределом его упругости, внутренне трение). Пионерские работы Б.П. Вейнберга в данной области позволяют отнести профессора к основателям физики твердого тела в Сибири;

2 – физики льда и ледников, физической стороны борьбы с обледенением (капитальный труд – «Лед, свойства, возникновение и исчезновения льда». М.-Л: ГИТТЛ, 1940. 524 с.).

На сибирский период жизни Б.П. Вейнберга приходится около 180 его публикаций (всего им было опубликовано свыше 500 работ). Накануне приезда в Томск Б.П. Вейнбергом был издан в двух частях учебник «Курс физики» (-1500 с.), которым пользовались студенты на протяжении трех десятков лет.

По инициативе профессора Б.П. Вейнберга в 1923 г. при ТТИ создается первый в Сибири НИИ – Институт прикладной физики. В октябре 1928 г. Институт прикладной физики был преобразован в СФТИ.

В 1928 г. в СФТИ для организации научных исследований из Ленинграда приезжает молодой и уже известный физик Петр Саввич Тартаковский, начиненный идеями недавно зародившейся квантовой физики. Для экспериментального исследования явления внутреннего фотоэффекта в диэлектриках, обнаруженного им в 30-е годы, он привлекает группу молодых физиков, среди которых Александр Акимович Воробьев. Будучи аспирантом П.С. Тартаковского, А.А. Воробьев проводит ряд экспериментов по наблюдению свойств щелочно-галоидных кристаллов в сильных электрических полях. С 1940 г. Воробьев А.А. переходит на работу в ТПУ и вскоре становится заведующим кафедрой физики. С огромной энергией и размахом он развертывает научные исследования в ТПИ, создаются научно-исследовательские институты.

В НИИ ЯФ интенсивно реализовываются развиваются ускорительная техника и на ее основе физика атомного ядра и элементарных частиц.

На синхротроне «Сириус» НИИ ЯФ были выполнены измерения:

- времени жизни р-мезона с рекордной по тем временам точностью (В. И. Крышкин, Ю.П. Усов); - асимметрии фотообразования р+-мезонов на нуклонах и ядрах (В.М. Кузнецов); - сечения h-мезон-нуклонного взаимодействия из эксперимента по измерению сечений фотообразования h-мезонов на сложных ядрах (Г.Н. Дудкин); - интегральных сечений парциальных реакций фоторождения р-мезонов на ядрах.

В стенах НИИ ЯФ ТПУ под руководством профессора В.А. Филимонова была создана теория гиперядер, которой успешно пользуются во всех ядерных научных центрах мира. Изучение экзотических ядер имело продолжение в ТПУ и в дальнейшем, о чем свидетельствует приоритетное теоретическое исследование фотообразования h-ядер (профессор В.А. Трясучев).

Через десятки лет подтверждаются предвидения профессора ТПУ Петра Алексеевича Черданцева, предложившего необычный механизм деления ядер, заключающийся в образовании двух центров в материнском ядре. Многие из упомянутых результатов вошли в монографии и учебники по физике ядра и элементарных частиц, явившись значительной вехой в естественнонаучном познании мира.

Работы по теории каналирования в кристаллах и излучения релятивистских электронов при каналировании были инициированы в ТПУ в начале 70-х годов профессором А.А. Воробьевым. Группу физиков, начавших эти исследования, возглавил профессор Сергей Александрович Воробьев, а сама эта группа скоро превратилась в лабораторию 13 НИИ ЯФ при ТПУ, которую впоследствии возглавил доктор наук Ю.Л. Пивоваров.

В 1979 г. был экспериментально обнаружен эффект каналирования электронов в кристаллах на внутреннем пучке синхротрона. В 1985 г. группой томских физиков (С.А. Воробьев, Б.Н. Калинин, С. Пак, А.П. Потылицын) был открыт новый тип монохроматического излучения в кристаллах – параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ). В последующие годы физики политехнического университета провели цикл приоритетных исследований характеристик ПРИ. Полученные в Томске результаты были подтверждены в многочисленных экспериментах, проведенных впоследствии на ускорителях США, Японии, Канады, Германии, Украины и Армении. Последующие годы ознаменовались новыми открытиями в этой области: эффект увеличения монохроматичности и интенсивности переходного излучения за счет периодических «стопок» фольг, применяемых в качестве мишени, и обнаружение дифракционного излучения нерелятивистских электронов. Все эти результаты получили признание у международной научной общественности, о чем свидетельствует успешное проведение НИИ ядерной физики при ТПУ многих симпозиумов, труды которых издавались специальными выпусками международных журналов по науке и технике. С 1959 г. в НИИ ЯФ были начаты научные исследования с использованием циклотрона. Они были направлены на изучение механизма взаимодействия ионов дейтерия и изотопов гелия с атомными ядрами. В результате этих исследований, в частности, были впервые получены наиболее полные данные по упругому рассеянию дейтонов на ядрах, обнаружена и изучена природа аномалий в обратном рассеянии 4Не на легких ядрах.

Результаты исследований вошли в монографии по ядерной физике. На основе фундаментальных исследований был разработан комплекс ядерно-физических методов, позволяющих получить новую информацию о свойствах твердого тела. С помощью данных методов был обнаружен новый эффект «Восстановления структуры дефектных кристаллов ионизирующим излучением (эффект малых доз) (Чернов И.П., Мамонтов А.П.). Принципиально новым здесь является то, что слабое воздействие ионизирующего излучения вызывает коренные изменения в кристаллах, переводит кристалл в равновесное состояние и улучшает его физические свойства. С 1970 г. велось интенсивное исследование свойств ондуляторного излучения с помощью специально сконструированного безжелезного ондулятора. Полученные результаты по спектрально-угловым и поляризационным характеристикам излучения в дальнейшем использовались для разработки эксплуатационных ондуляторов на многих зарубежных ускорителях (М.М. Никитин).

На сильноточных электронных и ионных ускорителях выполнены следующие фундаментальные исследования:

- разработаны физические основы преобразования энергии электронов в энергию СВЧ колебаний (Г.А. Месяц, член-корреспондент А.Н. Диденко);

- созданы и исследованы приборы нового типа: релятивистский магнетрон и виркатор;

- предложен новый метод генерации мощных ионных пучков из взрывоэмиссионной плазмы (Г.Е. Ремнев, Ю.П. Усов);

- обнаружены и исследованы эффекты возникновения ударных волн, кратерообразования, модификации микроструктуры и свойств различных материалов (Г.Е. Ремнев, А.И. Рябчиков);

- изучена физика переноса атомов в конденсированной фазе при воздействии мощных ионных пучков.

Вопросы прохождения частиц через вещество в течение длительного времени остаются актуальными. Это обусловлено тем, что практически вся информация о свойствах и структуре атомов, атомных ядер и элементарных частиц получается при изучении взаимодействий частиц с веществом.

К решению задач переноса сводятся также многие важные проблемы физики космических лучей, физики ядерных реакторов, радиационной физики и химии, радиационной техники и технологии, ядерной физики, дозиметрии и защиты от излучений, радиационной медицины, дефектологии, оптики атмосферы.

Объектом самостоятельных исследований стал один из наиболее эффективных методов решения задач переноса – метод Монте-Карло. Перечисленные проблемы являются составными частями научного направления, которое получило развитие на Физико-техническом факультете Томского политехнического университета (А.М. Кольчужкин).

Ряд важных результатов получен при исследовании переходных эффектов в электронно-фотонных ливнях – резких изменений потока частиц вблизи раздела сред с различными физическими свойствами. Этот эффект имеет место в ливнях вблизи границы атмосфера-Земля или в многослойных поглотителях, обычно используемых в экспериментах по исследованию космических лучей.

Была построена последовательная теория таких переходных эффектов на основе специально разработанной модифицированной теории возмущений. Результаты теоретических исследований были подтверждены экспериментально на ускорителе НИИ ЯФ ТПУ «Сириус». Профессор Владимир Алексеевич Соколов, работая на кафедре общей физики, начал исследования по взаимодействию неравновесных газовых сред с поверхностью твердых тел. В результате было открыто нетепловое излучение твердых тел в пламёнах – явление кандолюминесценции.

Созданная В.А. Соколовым научная школа в области химической физики поверхностей получила международное признание. Работы этой школы известны во всем мире, особенно с середины 80-х годов, когда стала осознаваться важная роль поверхности твердых тел в микроэлектронике, химических лазерах, неравновесном разделении изотопов, деградации защитных покрытий, узлов космических и летательных аппаратов и др. Результаты исследований были обобщены в монографиях В.А. Соколова: «Люминесценция и адсорбция» )1969) и «Радикалорекомбинационная люминесценция полупроводников» (1976). В дальнейшем последователи школы В.А. Соколова в ТПУ обнаружили и изучили принципиально новые эффекты при взаимодействии свободных атомов с поверхностью твердого тела – генерация электронно-дырочных пар, эмиссия заряженных частиц, люминесценция при сколе – неравновесные гетерогенные хемоэффекты (В.В. Стыров, Ю.И. Тюрин).

В результате исследований, проводимых с 1980 г. на кафедре общей физики ТПУ профессорами И.П. Черновым и Ю.И. Тюриным на стыке водородной и радиационной тематик, была впервые понята роль водородной подсистемы в металлах как аккумулирующей среды, способной эффективно запасать энергию различных внешних взаимодействий, в том числе радиационных. Аккумулирующие устройства водородной подсистемы проявляются в эффектах неравновесной диффузии, проницаемости стенок металлов, неравновесной модификации свойств материалов, эмиссии заряженных частиц в выходе атомарного водорода из твердых тел при облучении.

Эти свойства твердых тел следует учитывать при создании водородных накопителей энергии, решении проблемы первой стенки ядерных и термоядерных реакторов. Работы в этом направлении получили мировое признание.

Литература, источники

1. Томский политехник. № 6, изд-во ТПУ, 2000. – 223 с.

2. Томский политехник. № 10, изд-во ТПУ, 2004. – 199 с.

3. Гагарин А.В. «Профессора Томского политехнического университета». Т. 1. - Томск: Изд-во научно-технической литературы, 2000.

4. Сергеевых Г.П. «Профессора Томского политехнического университета». Т.2. - Томск: Изд-во научно-технической литературы, 2001.

5. Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк/Под ред. Ю.П. Похолкова, В.Я. Ушакова. - Томск: ТПУ, 1996. - 249 с.