Вавилов Сергей Иванович. Создание теорий микроструктуры света и люминесценции
Сергей Иванович Вавилов, брат известного генетика Николая Вавилова, родился 12 (24) марта 1891 года в Москве. Учился в коммерческом училище на Остоженке, затем — в Императорском Московском университете, который окончил в 1914 году. Во время Первой мировой войны Вавилов служил в разных инженерных частях, где закончил экспериментально-теоретическую работу о частотах колебаний нагруженной антенны. С 1918 по 1932 год преподавал физику в университете, параллельно занимался оптикой, заведовал отделением физической оптики в институте физики и биофизики Наркомздрава. В 1929-м стал профессором. Через три года Вавилов возглавил Физический институт Академии наук СССР (АН СССР), стал научным руководителем Государственного оптического института. Во время Великой Отечественной войны Сергея Вавилова вместе с институтом эвакуировали в Йошкар-Олу, где он руководил разработкой новых приборов для вооружения армии. В 1945 году был избран президентом АН СССР, через два года вошел в первый состав ученого совета физико-технического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Активно популяризировал науку, был инициатором создания Всесоюзного просветительского общества «Знание» и первым председателем его правления, организовал музей Ломоносова. Был депутатом Верховного Совета РСФСР, награжден орденом Трудового Красного Знамени, дважды — орденом Ленина и неоднократно — Сталинской премией. Скончался Сергей Вавилов 25 января 1951 года от инфаркта.
Основным направлением деятельности Сергея Вавилова было исследование оптики, в частности фотолюминесценции. Многие работы посвящены также флуоресценции и фосфоресценции. Для того чтобы изучить эти явления, ученый лично спроектировал и построил специальный прибор — фосфороскоп с вращающимся зеркалом. Именно с его помощью он смог обнаружить отличие флуоресценции от фосфоресценции (излучает поглощенную энергию не сразу), хотя в то время считалось, что эти эффекты непрерывно переходят один в другой. Параллельно Вавилов дал определение люминесценции и ввел критерий, который позволил отделять ее от явлений, чья физическая природа была иной. Итогом исследований стало создание ламп дневного света. Кроме этого, Вавилов установил, что эффективность превращения поглощенной световой энергии в свет люминесценции (так называемый энергетический выход) для люминесцирующих растворов может достигать 80 процентов. В ходе опытов с урановым стеклом ученый обнаружил эффект, который лег в основу новой области знаний — нелинейной оптики, а полученные факты сформировали так называемый закон Вавилова. Он устанавливает зависимость энергетического выхода люминесценции от длины волны света, который порождает данное явление. Этот закон зафиксировал одно из проявлений квантовых свойств света. Лишь много лет спустя в книге «Микроструктура света» Вавилов впервые введет термин «нелинейная оптика», чтобы описать наблюдаемые им физические явления, возникающие при использовании в качестве источника излучения света высокой интенсивности. Слово «нелинейная» подчеркивает, что при данных условиях нарушается уже устоявшийся принцип суммирования эффектов нескольких одновременных действий. Со временем все общие соображения были подтверждены дальнейшим развитием знаний о нелинейной оптике, к которой непосредственное отношение имеет и создание лазеров. Время не только подтвердило идею Вавилова, но и способствовало последующему открытию явлений, которые были предсказаны им ранее. После этого ученого по праву стали считать пионером исследований в области нелинейной оптики.
В предвоенные годы вместе с учениками физик участвовал в разработке методов люминесцентного анализа, практического применения данного явления, в создании экономичных люминесцентных источников света, экранов. А в 1933-м был открыт новый вид свечения, который позже назвали излучением Вавилова — Черенкова. Павел Черенков, аспирант Вавилова, изучал свечение раствора солей урана под действием гамма-лучей радия. В ходе опыта он обнаружил, что светится не только раствор, но и сам растворитель — вода, что было крайне необычно, так как солей урана в ней не было. Изучение этого слабого голубого свечения на уровне порога зрения проводилось с помощью разработанного Вавиловым метода. Дальнейшие исследования показали, что обнаруженное явление — не люминесценция. Такой вывод был сделан на основании разработанных физиком строгих критериев, которые помогали отличать люминесценцию от других видов излучений.
В итоге оказалось, что под воздействием гамма-лучей чистые жидкости начинают светиться, причем на силу свечения практически ничего не влияет: ни изменение температуры, ни добавление в раствор веществ, вызывающих гашение люминесценции.
Экспериментальным путем был выделен ряд особенностей этого излучения. Например, что подобное свечение наблюдается у всех чистых жидкостей и его яркость мало зависит от химического состава.
Для понимания природы этого явления Сергей Иванович выдвигает гипотезу, что свечение вызывается не самими гамма-лучами, а процессом рассеивания электронов, которые гамма-излучение выбивает из атомов. Впоследствии было установлено, что гипотеза верна и что свечение напрямую зависит от направления магнитного поля в жидкости. Причину, по которой движущиеся в жидкости электроны испускали свет, смогли объяснить физики-теоретики Игорь Тамм и Илья Франк, специально приглашенные Вавиловым поучаствовать в исследованиях. Они доказали, что свечение вызвано быстро движущимися электронами, причем скорость перемещения частиц превышает скорость света в имеющейся среде. В настоящее время излучение Вавилова — Черенкова широко применяется при проведении экспериментов в области физики элементарных частиц и космических лучей. Оно позволило измерять скорость, энергию и заряд быстрых частиц. А без черенковских детекторов не обходится практически ни одно исследование в данной области. За открытие и описание этого явления Вавилов, Черенков, Тамм и Франк получили Сталинскую премию I степени.
В 1958 году, когда Сергея Ивановича уже не было в живых, остальные ученые стали лауреатами Нобелевской премии по физике.