Физика твердого тела

Физика твердого тела - одно из основных направлений научной деятельности Томского политехнического университета. Научная школа ТПУ в области физики твердого тела сложилась под влиянием профессора П.С. Тартаковского и его ученика А.А. Воробьева, ректора Томского политехнического института в 1944 - 1970 гг.

Тартаковский П.С. и Воробьев А.А. Создание томской научной школы физики диэлектриков

Тартаковский Петр Саввич был одним из первопроходцев квантовой физики. После переезда из Ленинграда в Томск в 1930-х гг. Петр Саввич начал новый цикл работ, посвященных исследованию внутреннего фотоэффекта в диэлектриках - генерации зонных электронов и дырок под действием ультрафиолетового излучения и возникновению фотопроводимости. К этой работе Тартаковский привлек группу ученых - выпускников Физического факультета Томского государственного университета, среди которых был А.А. Воробьев. Под руководством Тартаковского А.А. Воробьев исследовал внутренний фотоэффект в диэлектриках, преимущественно в щелочно-галоидных кристаллах, в сильных электрических полях. Он наблюдал ударную ионизацию диэлектрика и электрический пробой. Результаты 6-летнего труда П.С. Тартаковского и его коллег были обобщены в монографии "Внутренний эффект в диэлектриках" (1940), которая считается во всем мире классическим трудом по физике электронно-дырочных процессов в диэлектриках. Пятая глава монографии по существу целиком основана на результатах исследований А.А. Воробьева и известного американского физика Артура фон Хиппеля.

Труд П.С. Тартаковского и его первых учеников в Сибирском физико-техническом институте явился той хромосомой, из которой развилась томская научная школа физики диэлектриков, которая сконцентрировалась в основном в Томском политехническом институте.

Исторически первым направлением физики твердого тела, которое начал развивать А.А. Воробьев в политехническом институте, продолжая исследования, выполненные П.С. Тартаковским, была физика электрического пробоя диэлектриков. Были созданы сначала кафедра техники высоких напряжений, затем соответствующий научный отдел, который впоследствии стал Научно-исследовательским институтом высоких напряжений при Томском политехническом институте.

Возникла томская школа физики электрического пробоя (твердых, жидких, газообразных диэлектриков и вакуума). Каждое направление принесло значительные научные и технические результаты.

Второе крупное направление физики твердого тела, которое начал развивать А.А. Воробьев в Томском политехническом институте, - радиационная физика диэлектриков, объектом исследования которой являются процессы в твердых телах под воздействием потоков ионизирующих излучений. Сразу после окончания второй мировой войны начинается интенсивное развитие ядерной физики и техники в связи с проблемами ядерных вооружений и атомной энергетики. Под Томском создается один из крупнейших центров ядерной промышленности, а в Томском политехническом открывается Физико-технический факультет для подготовки специалистов в этой области. Вскоре в 1958 г. по инициативе Воробьева был создан Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте. Один за другим сооружаются источники ядерных излучений: электронные ускорители различных типов - от всемирно известного синхротрона "Сириус", расчитанного на ускорение электронов до 1,5 ГэВ до настольных бетатронов, электростатический ускоритель, микротрон и бетатроны различных калибров; циклотрон, позволяющий ускорять протоны, альфа-частицы и легкие ионы; исследовательский ядерный реактор. В сравнительно короткие сроки Томский политехнический институт входит в десятку мировых центров ядерной физики и техники по уникальному набору разнообразных источников ядерных излучений.

1960-е гг.

В 1961 г. в Томском политехническом институте состоялась первая межвузовская конференция по проблемам радиационной физики твердого тела. В ней участвовало много специалистов из всех регионов страны, многие из которых стали в будущем ведущими в этой области, а томская научная школа радиационной физики диэлектриков - одной из передовых.

Профессор И.Я. Мелик-Гайказян с сотрудниками исследовала возникновение и накопление оптически активных дефектов в щелочно-галоидных кристаллах - центров окраски - под действием разного вида излучений и обнаружила сильное влияние примесей на этот процесс. Известно, что изменение свойств твердых тел под действием излучений происходит именно благодаря возникновению и накоплению дефектов, И.Я. Мелик-Гайказян и доцент С.У. Гольденберг выполнили первые в нашей стране исследования возникновения центров окраски в нитевидных кристаллах, которые обладают высочайшим совершенством (иногда не содержат ни одной краевой дислокации) и механической прочностью.

Были разработаны методы выращивания нитевидных кристаллов из газовой фазы и водных растворов, тонкие физические методы и аппаратура для их исследования.

Исследования процессов создания и накопления центров окраски в ионных кристаллах были продолжены профессором В.М.Лисицыным. Использование методов импульсной абсорбционной спектрометрии с наносекундным временным разрешением позволило ему получать прямую информацию о процессах создания радиационных дефектов и последующих процессах преобразования первичных дефектов в устойчивые.

Впервые было показано, что распад электронных возбуждений приводит к созданию не только нейтральных пар Френкеля, но и заряженных; что эффективность процесса распада электронных возбуждений на пары структурных дефектов зависит от стартового состояния распадающегося электронного возбуждения; что во многих материалах - стеклах, кварце, сапфире - процесс создания дефектов в основном происходит в результате распада электронных возбуждений, но больная часть созданных дефектов аннигилирует за очень короткое время после их образования.