CC BY
41
2003 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. Сер. 4. Вып. 2 (№12)
ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ
УДК 53(091) А. С. Шулаков
«ГИГАНТСКИЙ РЕЗОНАНС» ОДНОГО ОТКРЫТИЯ: К 75-ЛЕТИЮ А.П.ЛУКИРСКОГО
Жизнь Андрея Петровича Лукирского опровергает многие устойчивые стереотипы, она достойна долгой памяти и уважения. Он прожил всех и 37 лет, вот уже 38 лет его нет среди нас, и тем не менее он остается с нами. Его творчество оставило глубокий след в истории физики. Сегодня многие профессионалы, занятые по всему миру исследованиями с использованием синхротронного излучения, быть может, сами того не подозревая, пользуются разработками и открытиями человека, так давно ушедшего от нас.
В этой статье будет описано только одно направление деятельности Андрея Петровича — история открытия гигантских резонансов поглощения ультрамягкого рентгеновского излучения многоэлектронными оболочками атомов и резонансов формы в фотоионизации молекул. Это открытие «вовлекло в орбиту» творческой жизни Андрея Петровича лучших экспериментаторов и теоретиков XX в.
Андрей Петрович Лукирский родился в Ленинграде 12 апреля 1928 г. в семье молодого университетского профессора, будущего академика АН СССР, первого заведующего кафедрой электричества физического факультета (сейчас кафедры электроники твердого тела) и директора Научно-исследовательского института физики (1934-1938 гг.) Петра Ивановича Лукирского. В, 1950 г. Андрей Петрович окончил физико-механический факультет Ленинградского политехнического института и поступил в аспирантуру физического факультета ЛГУ на кафедру электрофизики, которой руководил в те годы академик А.А.Лебедев.
Его кандидатская диссертация (1954 г.) была посвящена разработке принципов построения спектральной аппаратуры для работы в области, лежащей между ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Позднее эта область спектра была названа Андреем Петровичем ультрамягким рентгеновским (УМР) излучением. Традиционные методы спектрального анализа
(с) А. С. Шулакои, 2003
рентгеновского излучения (кристалл-анализаторы и фотопленки) в области УМР оказались малоэффективными, поэтому проведение исследований требовало в первую очередь создания принципиально новой спектральной аппаратуры. Мотивы физического сообщества для движения в область УМР-спектра были более чем основательными, но только Андрею Петровичу удалось решить эту проблему последовательно и принципиально.
После окончания аспирантуры Андрей Петрович был оставлен на кафедре электрофизики для продолжения исследований в рентгеновской лаборатории под руководством профессора Михаила Александровича Румша. Этот невероятной эрудиции и интеллекта человек сразу поверил в творческие способности нового сотрудника и уделял максимум внимания его работе. В лаборатории сложилась атмосфера творческого горения и поиска, демократизма и принципиальности, вдохновителями которой были Михаил Александрович и Андрей Петрович. Эта атмосфера привлекала талантливую молодежь, обеспечившую долгую жизнь и развитие научной школы УМР-спектроскопии. Первым сотрудником Лукирского стала ученица М. А. Румша, молодой кандидат наук, позднее один из самых известных профессоров ЛГУ, Татьяна Михайловка Зимкина.
Работа была организована предельно системно и эффективно. Было создано 7 спектрометров УМР-излучения последовательно увеличивающейся сложности. В каждой последующей модели учитывались экспериментальные результаты и опыт эксплуатации предыдущей. Во главу угла было положено изучение материалов УМР-оптики (материалов зеркал-отражателей, активных сред детекторов, дифракционных решеток). Эти исследования открыли науке множество направлений, успешно развивающихся и в наши дни.
Изучение спектров поглощения рентгеновского излучения газами было предпринято для создания эффективных газоразрядных детекторов. Спектры поглощения инертных газов в области УМР-излучения оказались необычными, опровергающими устоявшиеся представления о процессе фотоионизационного поглощения рентгеновского излучения [1, 2]. Обнаруженные широкие, отодвинутые от порогов ионизации полосы поглощения, получившие вскоре в международном сообществе название гигантских резонансов поглощения, привлекли внимание международного физического сообщества.
Этот интерес был обеспечен не только яркостью случайно обнаруженного явления, но и быстрым, безупречным, с профессиональной точки зрения, его экспериментальным изучением. Для выяснения природы явления было проведено исследование УМР-спектров поглощения твердых щелоче-галлоидных кристаллов (ЩГК), суммарная электронная конфигурация которых была подобна электронной конфигурации инертных газов Аг, Кг, Хе, а положение краев поглощения отличалось [3]. Это была парадоксальная и абсолютно нетривиальная идея. Спектры поглощения газов и ЩГК оказались подобными, что сразу указало на атомный характер обнаруженного явления. Чтобы увериться в этом, был проведен анализ спектров поглощения многоэлектронных оболочек металлов (не газов и не изоляторов) [4]. Таким образом, к 1967 г. с экспериментальной точки зрения явление было изучено исчерпывающе полно.
Первым обратил внимание на исследование А. П. Лукирского один из лучших физиков-теоретиков XX в. профессор Уго Фано. Он был на 16 лет старше Андрея Петровича, родился в Италии, в Турине, тоже в профессорской семье, в окружении известных математиков и физиков, окончил Университет Турина и в 1934 г. был принят в группу Энрико Ферми в Риме. В эти годы легендарный Ферми увлекся ядерной физикой и начал работы по созданию ядерного реактора. Основным их элементом было изучение искусственной радиоактивности, создаваемой нейтронами, другими словами, поиск лавинной ядерной реакции. Даже несовершенная аппаратура того времени позволила обнаружить резонансы поглощения и рассеяния нейтронов низких энергий ядрами атомов.
Резонанс рассеяния низкоэнергетических нейтронов был описан молодым Фано в терминах квантовой механики как следствие взаимодействия дискретного возбуждения (частицы) с континуумом при наличии потенциального барьера, отделяющего частицу от континуума [5]. Тогда же им была предложена формула, описывающая форму спектров с учетом
взаимодействия виртуального возбуждения с континуумом, одна из самых изящных формул XX в., в дальнейшем известная как «формула Фано». Фано назвал описываемое явление резонансом формы (resononza di forma). Этот термин используется и в настоящее вре-
В 1936 г. Фано ушел от Ферми. Предметом его исследований стали радиационная биология и генетика. В 1939 г. он был вынужден эмигрировать в США. После Второй мировой войны он стал экспертом Национального бюро стандартов США. Только в 1950-е годы прогресс в области ядерной спектроскопии позволил зарегистрировать «профиль Фано» в рассеянии нейтронов и подтвердить правильность теории резонансов формы. Поскольку в построении теории Фано использовал самые общие квантово-механические посылки, были все основания ожидать проявления резонансов формы не только в ядерных взаимодействиях, но и во взаимодействиях большей дальности. Поэтому первая же публикация (в советском журнале, на русском языке!) об аномалии в фотоионизационном поглощении УМР-излучения [1] привлекла внимание Фано. Именно он инициировал интенсивнейшее теоретическое и экспериментальное изучение этого явления, получившее с его легкой руки название гигантского резонанса, или резонанса формы. В 1966 г. Уго Фано посетил лабораторию Румша—Лукирского для личного знакомства с блестящими российскими физиками и обсуждения дальнейших исследований. К сожалению, встретиться с самим Андреем Петровичем он уже не смог.
По совету Фано был исследован спектр поглощения УМР-излучения молекулой БРб- По сто идее резонанс формы должен был ярко проявиться и в этих спектрах, хотя эффективный потенциальный барьер для электронов создается в молекуле не внутриатомными, а межатомными силами. И действительно, тонкая структура спектра поглощения серы оказалась протяженностью около 100 эВ за порогом фотоиониза "и 2р-уровня [6]. Эта работа давно стала классической, она инициировала устойчивый интерес к изучению поглощения и фотоэмиссии молекул. Стало очевидным, что появление резонансов формы в процессах взаимодействия имеет универсальную природу, возможно, единую не только для квантовых, но и для макроскопических систем.
Соратниками и учениками Андрея Петровича уже после его ухода из жизни было показано, что гигантские резонансы проявляются практически во всех процессах взаимодействия частиц и излучения с веществом. Гигантские резонансы были обнаружены в фотопоглощении редкоземельных металлов и актинидов, в УМР-эмиссии этих элементов, спектрах радиационного захвата (обращенной фотоэмиссии) и спектрах отражения. Первое прямое экспериментальное доказательство многоэлектронной природы гигантских резонансов поглощения УМР-излучения было получено через 15 лет после их открытия с использованием источника синхротронного излучения второго поколения в Национальном центре DESY в Гамбурге, Германия (резонансная фотоэмиссия) [7].
Необходимость создания адекватного теоретического описания явления гигантских резонансов фотопоглощения и фотоэмиссии значительно продвинула многочастичную теорию атома и теорию взаимодействия излучения и частиц с атомами и многоатомными системами. В своеобразной гонке, инициированной Уго Фано, приняли участие лучшие теоретики мира. Однако признанным победителем в ней оказался ленинградский теоретик из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Мирон Амусья. Первое сообщение об удачном расчете спектра поглощения ксенона появилось в 1970 г. [8]. М. Я. Амусья использовал для учета многоэлектронных корреляций заимствованное из ядерной физики приближение случайных фаз с обменом. Именно он первым описал в терминах поляризационного тормозного излучения обнаруженное учениками А. П. Лукирского необычное проявление гигантских резонансов в аномалии спектров эмиссии УМР-излучения [9, 10].
Докторскую диссертацию А. П. Лукирский блестяще защитил в 1964 г. В 1986 г., после тщательной экспертизы, работы А. П. Лукирского и Т. М. Зимкиной по обнаружению гигантских резонансов поглощения УМР-излучения многоэлектронными оболочками атомов были зарегистрированы Госкомитетом СССР по изобретениям и открытиям как открытие под № 297.
В настоящее время в СПбГУ успешно работает четвертое поколение учеников А. П. Лукирского, его научная школа признается мировым физическим сообществом. Ярчайшие черты характера Андрея Петровича — твердость и целеустремленность лидера, аналитичность философа, помноженные на спортивную жизнерадостность, общительность и внимательность к людям, до сих пор излучают осязаемые флюиды, делающие его научную школу живой и жизнеспособной.
Summary
Shulakov A.S. «Giant resonance» of one discovery: to the 75th anniversary of A. P. Lukirsky. In this article, devoted to the memory of Dr. A. P. Lukirsky, history of the discovery of giant resonances in pliotoabsorption of ultra soft X-rays by multielectron core shells of atoms and shape resonances in photoionization of molecules is shortly described. This discovery has attracted an attention of the best theorists and experimenters of the XX century and it greatly influenced on the physical science progress.
Литература
1. Лукирский А.П., Зимкина T.M. ,// Изв. АН СССР. Сер. физ. 1963. Т. 27. С. 817-820. 2. Лукирский А.П., Брытов И.А., Зимкина Т.М. // Оптика и спектроскопия. 1964. Т. 17. С. 438-445. 3. Зимкина Т.М., Лукирский А.П. // Физика тв. тела. 1965. Т. 7. С. 1455-1461. 4. Лукирский А.П., Зимкина Т.М., Грибовский С.А. // Физика тв. тела. 1966. Т. 8. С.. 1929-1931. 5. Fano U. // Nuovo Cimento. 1935. Vol. 12. P. 156-161. 6. Зимкина T.M., Фомичев В.A. // Докл. АН СССР. 1966. Т. 169. С. 1304-1306. 7. Lcnth W., Lutz F., Burth J. et all. // Phys. Rev. Lett. 1978. Vol. 41. P. 1185-1189. 8. Amusia M.Ya. // Proc. II Intern. Conference on Atomic Physics. Oxford, UK. 1970. P. 113. 9. Зимкина T.M., Шулаков А.С., Брайко А.П. /'/' Физика тв. тела. 1981. Т. 23. С. 2006-2011. 10. Амусья М.Я., Зимкина Т.М., Кучиев М.Ю. //' Журн. теср. физики. 1982. Т. 52. С, 1424-1428.
Статья поступила в редакцию 25 мая 2003 г.
