Исследование диэлектриков


вернуться в оглавление книги...

И. Н. Головин. "Игорь Васильевич Курчатов"
"Атомиздат", Москва, 1978 г.
OCR Biografia.Ru

продолжение книги...

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ

О научной деятельности Курчатова под руководством Иоффе в течение первых семи лет работы в институте лучше всего рассказывает сам Абрам Федорович.
Когда Игорь Васильевич начал работать в Физтехе, ему было 22 года, а институту «семь лет от роду, и молодость сотрудников была привычным делом», — писал Иоффе (1). Поддразнивая, институт называли «детским садом». Курчатов пришелся по душе коллективу своей молодостью, энтузиазмом, своей работоспособностью, стремлением и желанием жить общими интересами.
В то время основными темами института были исследования диэлектриков, механизма электрического пробоя и загадочной еще высоковольтной поляризации. Участвуя в общей работе, Курчатов внимательно изучает литературу не только своего вопроса, но и всего, что было связано с физикой твердого тела. Он обращает внимание на явления, противоречащие его представлениям. Его, в частности, удивили результаты экспериментов по прохождению электронов сквозь тонкие слои металлов. Однако он не ограничился критическими замечаниями, а, заподозрив, что источником ошибок в этом случае является нарушение сплошности слоя, тут же доказал это на опыте. Таким образом, его первой печатной работой в лаборатории диэлектриков оказалось исследование прохождения медленных электронов сквозь тонкие металлические пленки. Наблюдавшиеся ранее аномалии были устранены, вопрос выяснен...
-------------------------------------------------------------
1. «Успехи физических наук», 1961, т. 73, вып. 4, с. 611.
-------------------------------------------------------------
Эта работа, как и некоторые другие, была выполнена им совместно с Кириллом Дмитриевичем Синельниковым.
Уже при решении этой первой задачи проявилась одна из типичных черт Игоря Васильевича — подмечать противоречия и аномалии и выяснять их прямыми опытами. «Это же свойство привело его к открытию сегнетоэлектричества, к поискам механизма выпрямления тока, к изучению нелинейности токов в карборундовых разрядниках, к изучению предпробойных токов в стеклах и смолах, ушшолярности токов в солях, а позже к открытиям в области атомного ядра... Основной проблемой лаборатории, в состав которой вошел Игорь Васильевич, было поведение диэлектриков в сильных электрических полях и наступающий затем пробой. В то время как в слабых полях наблюдался закон Ома, внешне осложнявшийся высоковольтной поляризацией, начиная с некоторой силы поля удельная электропроводность быстро возрастала. Механизм тока в пределах закона Ома удовлетворительно объяснялся как электролиз в твердой среде. Можно ли распространить эти представления на токи, экспоненциально растущие с напряжением? Увеличивается ли подвижность ионов, растет ли их концентрация или вступают новые носители тока — электроны?
Эту задачу взялся разрешить Курчатов вместе с другим энтузиастом, химиком по образованию, Павлом Павловичем Кобеко.
Одни ли ионы являются носителями тока за пределами закона Ома? Точное соответствие закону Фарадея, которое установили Курчатов и Кобеко, дало положительный ответ. Задача была нелегкой: стекло — почти изолятор и продукты электролиза можно едва заметить, а нужно точно измерить их количество. Они точно определили не только выделение вещества на катоде, но измерили и количество выделяющегося на аноде кислорода».
Впоследствии выяснилось, что в некоторых кристаллах, например в слюде, отступление от закона Ома в сильных полях обусловлено электронами, но в стеклах электронов не оказалось, и это обстоятельство наложило отпечаток на идеи, развивавшиеся в лаборатории.
Активное участие принимал Курчатов в изучении высоковольтной поляризации — накоплении объемных зарядов вблизи электродов в результате прохождения электрического тока. Тщательными измерениями удалось определить распределение заряда вдоль толщины заряженного слоя, измеряемого долями микрона.
Игорь Васильевич тщательно изучил также механизм токов и электрического пробоя в смолах, особенно в олифе, которая считалась перспективным материалом для использования в качестве нового материала для изоляции. Устранив ряд неточностей, свойственных измерениям пробивных напряжений, Курчатов получил результаты, далеко превосходившие все, что до сих пор было известно. Правда, позднее А. П. Александров выяснил, что в его измерения вкрался источник ошибок, увеличивающийся с уменьшением толщины слоя. Тем не менее опубликованные в 1928 г. исследования Курчатова, Кобеко и Синельникова по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков не потеряли своего значения до настоящего времени.
По собственной инициативе Игорь Васильевич изучил аномалий тока в некоторых солях, и прежде всего их униполярную проводимость. Подробно исследовал влияние геометрии электродов острия, с одной стороны, и пластины — с другой, а также вторичных процессов электролиза.
При ближайшем участии своих друзей — Кобеко и Синельникова - Курчатову удалось объяснить многие наблюдаемые факты. Он пытался распространить эти результаты и на такие выпрямители тока, как закись меди, для которой наличие электролиза не было установлено.
Как при электрическом пробое, так и при выпрямлении были последовательно развиты представления, вытекающие из гипотезы об электролитической природе тока. Они не подтвердились для электронных полупроводников, но оказались справедливыми для твердых электролитов. В те годы, когда проводил свои исследования Игорь Васильевич, не существовало предпосылок для развития теории электронных процессов в твердых средах, не было квантовой теории электронных токов, зонной структуры энергетических уровней, идеи «дырок», поэтому изучение полупроводников могло сводиться лишь к накоплению фактов, а путь аналогии с ионами устранился квантовой природой электронных процессов.
Талант Игоря Васильевича особенно проявился при открытии сегнетоэлектричества. Некоторые аномалии в диэлектрических свойствах сегнетовой соли были описаны до него. В них Курчатов интуитивно заподозрил проявление каких-то неизвестных свойств в поведении диэлектриков. Вместе с Кобеко он обнаружил, что эти свойства аналогичны магнитным свойствам ферромагнетиков, и назвал такие диэлектрики сегнетоэлектриками. Это название было принято советскими исследователями; за границей явление сегнетоэлектричества называют ферроэлектричеством, что еще более подчеркивает аналогию с ферромагнетизмом.
Опыты Курчатова проведены исключительно четко. Результаты их, представленные системой кривых, изображавших зависимости эффекта от силы поля, от температуры, с такой убедительностью демонстрировали открытие, что к ним почти не требовалось пояснений. «Курчатов исследовал зависимости эффекта от кристаллографического направления, от длительности воздействия электрического поля, от предыстории. Установлена точка Кюри и открыта нижняя точка Кюри, спонтанная ориентация кристалла и свойства сегнетовой соли за пределами точек Кюри.
От чистой сегнетовой соли Курчатов и его сотрудники перешли к твердым растворам и сложным соединениям с сегнетоэлектричейкими свойствами. В этих исследованиях помимо Кобеко участвовал и брат Игоря Васильевича — Борис Васильевич Курчатов». Только спустя 10 лет Б. М. Вулу удалось сделать следующий существенный шаг вперед открытием сегнето-электрических явлений в титанате бария, а еще через 10 лет Г. А. Смоленский расширил область сегнето-электриков.
«Что касается теории открытых им явлений, то Игорь Васильевич сразу понял значение идей, выдвинутых Львом Давидовичем Ландау, и на их основе строил все свои предпосылки, из них делал выводы для развития своих опытов».
Сегнетоэлектричеству Игорь Васильевич посвятил в 1933 г. большую монографию.
Своеобразными диэлектрическими свойствами, хотя и по другим причинам, чем в сегнетоэлектриках, при низких температурах обладают кристаллы хлористого водорода. Вместе со Щепкиным Курчатов исследовал их и дал ясное физическое толкование наблюдаемым фактам. Загадочными представлялись электрические свойства карборундовых предохранителей, применявшихся в высоковольтной технике. Вместе со своими учениками Курчатов принялся за решение этой задачи. Обширное экспериментальное исследование привело к определенной гипотезе о механизме контакта между зернами карборунда, успешно объяснившей совокупность всех накопленных наблюдений. Их теорию развил Я. И. Френкель. Это была последняя дань, которую отдал Игорь Васильевич проблеме диэлектриков, перешедшей в проблему электронных полупроводников. Его интересы и несокрушимая энергия были перенесены в область атомного ядра, которая так многим ему обязана.
В перспективе сегодняшнего дня участие Игоря Васильевича Курчатова в решении проблемы диэлектриков представляется сравнительно скромным этапом, но нельзя забывать, что самый выдающийся результат в учении о диэлектриках — это сегнетоэлектрики Курчатова и Кобеко.
«Игорь Васильевич был беспредельно предан науке и жил ею, — рассказывает далее Иоффе. — Почти систематически приходилось в полночь удалять его из лаборатории. Каждому молодому физику представлялась заманчивой посылка его в лучшие заграничные лаборатории, где можно познакомиться с новыми людьми и новыми методами научной работы. Двадцать научных сотрудников Физико-технического института удалось направить за границу на сроки от полугода до двух лет. В течение нескольких лет такая возможность была и у Игоря Васильевича. Но он все откладывал ее осуществление: каждый раз, когда надо было выезжать, у него шел интересный эксперимент, который он предпочитал поездке...
Вспоминая предшествовавший атомному ядру период деятельности Игоря Васильевича, нельзя забывать его постоянного стремления сочетать физику с техникой, искать практические пути использования сегнето-электриков (в этом участвовал В. П. Вологдин), карборунда, новых видов изоляции».

продолжение книги...