Иоффе Абрам Федорович. Открытия в области физики твердого тела

Абрам Федорович Иоффе родился 17 (29) октября 1880 года в городе Ромны Полтавской губернии в семье купца второй гильдии. Окончил Ромненское реальное училище, затем — Санкт-Петербургский технологический институт (1902 год) и Мюнхенский университет (Германия), где получил степень доктора философии. С 1906 года работал в Санкт-Петербургском политехническом институте, где через 12 лет организовал физико-механический факультет для подготовки инженеров-физиков. В 1913-м Абрам Федорович защитил магистерскую диссертацию по физике и получил звание профессора, а через два года — уже докторскую. С 1918-го — член-корреспондент, создал физико-технический отдел при Государственном рентгенологическом и радиологическом институте, в этом же году стал президентом этого института, с 1920-го — действительный член Российской академии наук. Через год занял должность директора Физико-технического института АН СССР, созданного на основе вышеупомянутого отдела. С 1932-го — директор Агрофизического института. Во время кампании «по борьбе с космополитизмом» с декабря 1950 года Иоффе снимают с должности директора и выводят из состава ученого совета института. В 1952-м он возглавил лабораторию полупроводников АН СССР, а через два года на ее основе организовал Институт полупроводников АН СССР. Скончался Абрам Федорович в своем рабочем кабинете 14 октября 1960 года.

Абрама Федоровича Иоффе можно по праву считать создателем советской физической школы, которая воспитала многих блестящих ученых-теоретиков и экспериментаторов. В списке учеников Иоффе — цвет советской науки: П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, И. В. Курчатов и многие другие. Абрам Федорович был не только гениальным ученым, но и обладал недюжинными организаторскими способностями — умел находить и привлекать к работе молодые таланты, пропагандировать науку, увлечь коллег мечтами о будущем техники.

Основные достижения Иоффе связаны с областью физики твердого тела. Еще в Мюнхене, работая в лаборатории помощником физика В.-К. Рентгена, Иоффе провел ряд крупных исследований, которые принесли ему репутацию ученого, глубоко вникающего в механизмы изучаемых процессов и проводящего опыты с исключительной точностью.

Первая работа Абрама Федоровича была посвящена элементарному фотоэлектрическому эффекту (1911 год). В ней он доказал существование электрона независимо от остальной материи и определил абсолютную величину его заряда. Ученый подвергал воздействию рентгеновских лучей и электрического поля мельчайшие наэлектризованные металлические пылинки. Условия опыта были таковыми, что электрическое поле уравновешивало силу тяжести и пылинки оставались во взвешенном состоянии. Однако при воздействии рентгеновских лучей, которые выбивали часть заряда, пылинки приходили в движение и для их уравновешивания приходилось изменять напряженность электрического поля. Меняя параметры поля, ученый мог управлять пылинками: переносить их в любую точку камеры, сообщать им утраченный заряд, наблюдать обратное движение. В результате этих исследований было доказано, что заряд пылинок изменяется определенными порциями, а это подтверждает то, что атом состоит из заряженных частиц с вполне конкретными зарядами. Кроме этого, с помощью данного опыта Абрам Федорович смог рассчитать удельный заряд элементарной частицы, уравновешивая с помощью электрического поля силу тяжести пылинки. Получаемая величина заряда всегда оказывалась кратной определенному значению — заряду электрона.

Такой же опыт независимо от Иоффе провел и Роберт Милликен (1912 год). Но вместо металлической пылинки он использовал капельку масла. Однако публикация Милликена вышла раньше, чем сообщение в печати об опыте Иоффе, поэтому первенство открытия принадлежит американскому ученому.

Дальнейшее исследование Иоффе в области физики твердого тела было естественным продолжением работы в лаборатории Рентгена — изучение упругих и электрических свойств кварца. Ученый экспериментально доказал, что в кристаллах электрический ток может проводиться с помощью свободных ионов, а не только электронами. Абрам Федорович, изучая механические свойства кристаллов, установил зависимости их разрушения, что имело большое значение для техники.

Иоффе решил задачу об электрических аномалиях кварца, показав, что они связаны с образованием объемных зарядов внутри вещества, указал на сильное влияние даже незначительных примесей на электропроводность диэлектриков — материалов, которые плохо или вовсе не проводят электрический ток, разработал способы очистки кристаллов и создал новые электротехнические материалы. Ученый также предложил методы устранения перенапряжений в кристаллах, сформулировал новую идею о природе полупроводниковых свойств большой группы сплавов, открыл явление (названное позже эффектом Иоффе), в результате которого повышается прочность кристалла при сглаживании его поверхности. Такое сглаживание можно достигнуть медленным растворением кристалла. Удивителен тот факт, что растворение кристалла лучше  идет  вдоль  микротрещин и в результате этого они исчезают, а прочность кристалла при этом увеличивается в сотни раз.

Все свои значимые работы в области физики твердого тела Иоффе обобщил в книге «Физика кристаллов», которая была создана на основе многочисленных лекций, прочитанных им в 1927 году во время командировки в США.

В начале 1930-х Иоффе изучал новые для того времени материалы — полупроводники, которые стали одним из главных направлений его последующих исследований.

Опыты привели ученого к смелой гипотезе, что полупроводники способны обеспечить эффективное преобразование энергии излучения в электрическую энергию. А это, в свою очередь, дало толчок развитию новых областей знания, например созданию кремниевых преобразователей солнечной энергии, широко известных сегодня как солнечные батареи. Правда, до создания полноценных солнечных батарей было еще далеко, а в ближайшем будущем работы Иоффе в области полупроводников пригодились на фронте. Так, ученый предложил оригинальную конструкцию солдатского котелка… для обеспечения работы радиостанций — ко дну котелка крепились полупроводниковые спаи, а другие спаи в зависимости от поры года помещались в холодную воду или снег. Затем котелок подвешивался над костром. В результате разности температур между спаями в такой своеобразной цепи возникала электродинамическая сила, обеспечивавшая бесперебойную работу партизанских радиостанций.

После войны на базе созданного Института полупроводников работы по их применению продолжились — велись обширные поиски и изучение новых материалов. Иоффе с учениками создал систему классификации полупроводниковых материалов, разработал методики определения их основных свойств. В институте на базе этих исследований была сконструирована и испытана серия охлаждающих устройств. В итоге Иоффе дал жизнь новой отрасли науки — термоэлектроэнергетике, которая призвана решить такие актуальные для современного общества проблемы, как преобразование световой и тепловой энергии в электрическую.