Евгений Константинович Завойский

Выдержки из книги: Евгений Константинович Завойский. Материалы к биографии Казань,УНИПРЕСС, 1998.

Е. К. Завойский родился 28 (15) сентября 1907 г. в городе Могилеве-Подольском в семье военного врача, впоследствии доктора медицины. В 1926 г. он окончил школу-девятилетку № 10 г. Казани. В том же году он поступил на физико-математический факультет Казанского государственного университета.

В студенческие годы у Е. К. Завойского зародилась идея об использовании электромагнитных излучений радиодиапазона для исследования вещества подобно тому, как это делается в оптике. С этого времени вся его дальнейшая деятельность была подчинена этой цели - обнаружению и изучению взаимодействия вещества с радиоизлучением высокой частоты.
Е. К. Завойский был учеником профессора Всеволода Александровича Ульянина (1863-1931). Это крупная фигура в истории Казанского университета. Автор многих научных статей, участник почти всех съездов русских физиков, он был создателем ряда геофизических приборов. В 1919-1922 гг. он работал лаборантом-консультантом при лаборатории Казанской военной радиобазы. Ульянин был также инициатором создания в Казани физического института.

По окончании университета Евгений Константинович был рекомендован В. А. Ульяниным в аспирантуру.

В марте 1931 г., незадолго до смерти Ульянина, Е. К. Завойский уехал в Ленинград, где он должен был в течение восьми месяцев вести исследования в Центральной радиолаборатории. В ЦРЛ он работал у Г. А. Остроумова и Н. Н. Циклинского в лаборатории УКВ и занимался исследованием суперрегенеративного радиоприемника. Параллельно работал над синфазным генератором УКВ (совместно с П. М. Винником).

Возвратившись в Казань, он написал статью об УКВ. Эта работа, сделанная у Г. А. Остроумова, легла в основу первой части кандидатской диссертации "Исследование суперрегенеративного эффекта и его теория", а в 1932 г. он закончил ее.

В 1933 г. после защиты диссертации в Казанском университете Евгений Константинович стал доцентом кафедры экспериментальной физики с исполнением обязанностей заведующего кафедрой. В это время он начал читать лекции по радиотехнике.

Е. К. Завойский приступил к систематическому исследованию физических и химических действий ультракоротких волн на вещество. Эти исследования проводились им в специально учрежденной лаборатории УКВ (19 ноября 1934 г. он был назначен ее руководителем по приказу из Наркомпроса). Первое время он экспериментировал с электрической составляющей высокочастотного поля, изучая тепловое воздействие поля метровых волн на электролиты (1935, совместно с Б. М. Козыревым). В 1936 г. он опубликовал интересную работу ("Метод измерения потенциалов возбуждения атомов и молекул"), в которой предложил способ измерения "потенциалов возбуждения" атомов и молекул методом сеточного тока. Он теоретически обосновал возможность возбуждения молекул электронами, ускоренными высокочастотными электрическими полями, и получил экспериментальные данные на многих газообразных системах, подтвердившие предложенную модель.

Эффект поглощения энергии высокочастотного поля молекулами газа Е. К. Завойский подтвердил затем на молекулах в жидкости (1936), а также в замороженных жидкостях (совместно с Б. М. Козыревым). В 1936 г. Е. К. Завойский и Б. М. Козырев в статье "О влиянии постоянного магнитного поля на нагревание водных растворов электролитов в полях высокой частоты" сообщили, что они обнаружили возрастание скорости нагревания электролитов при действии на них ультракоротких волн, если вещество поместить в постоянное магнитное поле. Евгений Константинович экспериментально доказал, что обнаруженные эффекты отражают определенные внутримолекулярные процессы и позволяют обнаружить детали структуры молекул. В ходе этих экспериментов была разработана методика для дальнейших исследований магнитных резонансов.

В это время Е. К. Завойский изучал также явление факельного разряда. Затем эти исследования были переданы К. Н. Мочалову (Казанский химико-технологический институт).

В 30-е годы, после назначения его заведующим кафедрой, Е. К. Завойский много сил и времени отдавал организаторской и преподавательской деятельности. Наряду с этим Евгений Константинович вел большую общественную работу: сотрудничал в городском отделении Физико-математического общества, читал популярные лекции по физике для изобретателей.

В 1938-1939 гг. Е. К. Завойский работал над докторской диссертацией "Экспериментальное и теоретическое исследование некоторых явлений в электрических и магнитных полях высокой частоты", где обобщал практически все предыдущие работы по поглощению ультракоротких волн веществом. Однако эта диссертация не была защищена.

В 1940 г., познакомившись с работами К. Я. Гортера по парамагнитной релаксации, в которых он пытался определить магнитные моменты ядер с помощью калориметрического метода, Евгений Константинович решил повторить эти опыты, применив свой метод сеточного тока, который обладал чувствительностью, на несколько порядков более высокой, чем калориметрический метод Гортера. Он решил использовать свой метод измерения поглощения радиоволн веществом для резонансного определения магнитных моментов атомных ядер в конденсированных средах: в твердых телах и в жидкостях.

Вместе с С. А. Альтшулером и Б. М. Козыревым Завойский начал поиски ядерного магнитного резонанса. Были приняты меры для укорочения времени протонной релаксации: исследовалась не чистая вода, а растворы парамагнитных солей, использовалась проточная система, и в начале 1941 г. казанские исследователи наблюдали сигналы ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Война задержала развитие исследований. Только в конце 1943 г. Е. К. Завойский получил возможность возобновить свои эксперименты. В 1943 г. Е. К. Завойский занялся изучением парамагнитной релаксации в перпендикулярных полях. Для этого не требовалось изменять схему прежней установки. Только вместо ампул с водой или другими веществами, содержащими большое количество протонов, в колебательный контур высокочастотного генератора помещали парамагнитные вещества - соли хрома, марганца и других магнитных ионов. В конце 1943 г. Евгений Константинович осуществил простое, но эффективное усовершенствование своей установки: он добавил модуляцию постоянного магнитного поля и тем самым повысил чувствительность метода на несколько порядков. Был также поднят до 100 МГц диапазон используемых частот.

В результате ему удалось наблюдать пики поглощения СВЧ-поля в безводном хлориде хрома, в сульфатах марганца и меди и других парамагнитных солях. Было показано, что напряженность постоянного магнитного поля в максимуме поглощения линейно возрастает с повышением частоты осциллирующего поля, эффект поглощения увеличивается с понижением температуры и резонансный пик исчезает, когда постоянное поле становится параллельным высокочастотному. Так в 1944 г. Е. К. Завойским было открыто новое фундаментальное явление - электронный парамагнитный резонанс.

В мае 1944 г. Е. К. Завойский представил в Физический институт (Москва) докторскую диссертацию, посвященную электронному парамагнитному резонансу.

Незадолго до защиты докторской диссертации Евгений Константинович направил свои статьи по ЭПР в редакции "Журнала экспериментальной и теоретической физики" (ЖЭТФ) и "Journal of Physics" (Москва). Самая ранняя из этих статей поступила в редакцию ЖЭТФ 4 февраля 1944 г., а остальные четыре - в июне.

В декабре того же года он выступил с докладом на семинаре у П. Л. Капицы. Петр Леонидович предоставил ему возможность осуществить эксперименты в Институте физических проблем при низких водородных и гелиевых температурах при частоте 133 МГц. В частности, Е. К. Завойский установил исчезновение сигнала ЭПР в CuCl₂*2H₂O при 4.2 К. Так еще в 1945 г. было экспериментально установлено проявление антиферромагнетизма в резонансных явлениях.

Защита диссертации состоялась 30 января 1945 г. в Физическом институте АН СССР, и Завойскому была присуждена ученая степень доктора физико-математических наук, а затем присвоено ученое звание профессора. Четверть века спустя, 23 июня 1970 г., Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР внес в Государственный реестр СССР открытие Е. К. Завойского "Явление электронного парамагнитного резонанса" (с приоритетом от 12 июля 1944 г.). Эта дата и считается официальной датой открытия ЭПР.

После открытия ЭПР Е. К. Завойский работал в Казани еще около трех лет и за это время сделал поразительно много. Уже тогда он предопределил многие важные направления будущих исследований, указал возможности приложения открытого им явления.

Он наблюдал парамагнитный резонанс не только в твердых парамагнетиках, но и в жидких растворах. Он же первым исследовал монокристаллы парамагнитных солей. Ему удалось еще более повысить частоту поля и перейти к дециметровому, а затем и к сантиметровому диапазону длин волн. Переход к высоким частотам имел решающее значение для внедрения более совершенной техники в резонансные исследования, для повышения чувствительности метода и его последующего широкого использования в самых разных областях науки.

Наряду с резонансным поглощением Е. К. Завойский впервые наблюдал и исследовал кривые парамагнитной дисперсии в области резонанса. Предложив новый метод изучения этого явления, он получил на высоких частотах для сульфата марганца MnSO₄ полную кривую дисперсии. Заметим, что в оптике изучение дисперсии в резонансной области сопряжено со значительными трудностями.

Следующий полученный им интересный результат - это наблюдение запрещенных переходов в спектре ЭПР веществ, имеющих спин S >1/2. В соединении MnSO₄*3H₂O Евгений Константинович обнаружил дополнительные резонансные линии, соответствующие кратным переходам с изменением магнитного квантового числа m = 2, 3, ...

Наконец, в последней работе этого периода ("К теории парамагнитной релаксации в перпендикулярных полях", 1947) он вместе с С. А. Альтшулером и Б. М. Козыревым сделал важные выводы о природе ширины линий парамагнитного резонанса. Анализируя данные для солей Mn²⁺ и Cr³⁺ в кристаллическом состоянии и в растворах, полученные на разных частотах, он пришел к заключению, что ширина линии парамагнитного резонанса в первую очередь определяется магнитными диполь-дипольными взаимодействиями и может трансформироваться под влиянием обменных сил и расщепления спиновых уровней парамагнитных ионов в электрическом поле окружающих частиц. Анализ диполь-дипольных взаимодействий с учетом обмена был опубликован Ван Флеком позже, в 1948 г.

Хотя в 1947 г. Е. К. Завойский перешел на другую научную тематику, активный интерес к парамагнитному резонансу сохранился у него на всю жизнь. Он следил за исследованиями в этой области, поддерживал тесные контакты с учеными Казани, Тбилиси, Харькова, Донецка и других городов страны, где проводились работы по парамагнитному резонансу. Участвовал в обсуждении многих проблем, высказывал интересные идеи. В 1960 г. Е. К. Завойский поставил новый эксперимент - создал совместно со своим сотрудником В. А. Скорюпиным оригинальный магнитный анализатор спектров (МАС), в полной мере использующий преимущества ЭПР.

С.А. Альтшулер, Е.К. Завойский, Б.М. Козырев. 1968 г

     В конце июня 1969 г. в Казани состоялась юбилейная научная конференция, посвященная 25-летию открытия электронного парамагнитного резонанса. В ней приняли участие ведущие специалисты по ЭПР всего мира. В Казани собралось более 600 радиоспектроскопистов.

В своем докладе Е. К. Завойский рассмотрел некоторые новые аспекты парамагнитного резонанса. Он указал на возможность парамагнитного ускорения заряженных частиц за счет энергии, запасенной при инвертировании заселенностей спиновых состояний, а также магнитоспинового резонанса на электронах в сверхсильных магнитных полях. Он предложил использовать возникающие здесь явления для точного определения скорости суперрелятивистских частиц.

Кроме постоянного научного интереса к работам по парамагнитному резонансу, Евгений Константинович активно содействовал решению многих организационных вопросов, связанных с успешным развитием этих исследований. В частности, по его инициативе были приняты некоторые решения Президиума Академии наук, обеспечившие строительство и развитие Физико-технического института Казанского филиала Академии наук. Он постоянно проявлял внимание к работам физиков в Казанском университете и способствовал созданию хорошо оборудованной базы для их научных исследований. В немалой степени благодаря его помощи радиоспектроскопические исследования в Казани приняли широкий масштаб. Здесь дело, начатое Е. К. Завойским, продолжили его соратники С. А. Альтшулер - в университете и Б. М. Козырев - в Физико-техническом институте. Ставшие впоследствии членами-корреспондентами АН СССР, они создали свои авторитетные научные школы.

Открытие электронного парамагнитного резонанса было одним из важнейших событий в физике ХХ столетия. Уже вскоре после опубликования первых работ Е. К. Завойского началось интенсивное развитие исследований в этой области. У нас в стране, в Англии, Франции, США и других странах мира на основе использования метода ЭПР возникли и выросли многие научные центры. Вслед за ЭПР были открыты ядерный магнитный резонанс, ферромагнитный резонанс, антиферромагнитный резонанс, ядерный квадрупольный резонанс, магнитный акустический резонанс, многие виды двойных резонансов. Возникла и выросла в крупную самостоятельную область науки магнитная радиоспектроскопия. В промышленно развитых государствах образовалась целая индустрия, выпускающая радиоспектроскопическое оборудование.

Физика магнитных явлений, физика твердого тела, физика жидкостей, неорганическая химия, минералогия, биология, медицина - это далеко не полный перечень наук, успехи которых так или иначе связаны с использованием ЭПР.

Парамагнитный резонанс привел к впечатляющему прогрессу в технике. Примером могут служить квантовые парамагнитные усилители, признанные принципиально лучшими устройствами такого рода. С их помощью осуществляется дальняя космическая связь. Монографий, обобщающих исследования и практические применения парамагнитного резонанса, сейчас издано несколько десятков.

В 1947 г. Е. К. Завойский по приглашению И. В. Курчатова переехал в Москву, оставив блестяще развивавшуюся тематику ЭПР, и перешел в московскую Лабораторию измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН), ныне называемую Российский научный центр "Курчатовский институт". В конце августа 1947 г. он был переведен в КБ-11 (Арзамас-16), где участвовал в работах по созданию атомной бомбы. Он являлся автором или соавтором более 10 отчетов. Из Арзамаса он уехал в 1951 г. и начал работать в ЛИПАНе.

За кратчайший срок Евгений Константинович стал одним из ведущих специалистов в области ядерной физики и обогатил ее достижениями, не уступающими по своему значению открытию электронного парамагнитного резонанса.

В последние годы жизни Евгений Константинович подвел итоги основным направлениям своей научной деятельности: электронному парамагнитному резонансу (публикации 1974, 1978), пико-фемтосекундной электронно-оптической хронографии (совместно с С. Д. Фанченко, 1976). Но вот и совершенно новый задел - бесконтактный метод обнаружения сверхпроводимости в негомогенных средах (Письма в ЖЭТФ. 1976. Т. 24, № 7. С. 441-443).

Научные заслуги Евгения Константиновича получили высокое признание и в нашей стране, и за рубежом. Он был избран академиком (1964), ему были присуждены Сталинская (Государственная, 1949) и Ленинская (1957) премии, в 1969 г. он был удостоен звания Героя Социалистического Труда, был награжден тремя орденами Ленина (1950, 1954, 1969), орденом Трудового Красного Знамени (1975), медалями.

Посмертно открытие ЭПР было отмечено премией Международного общества магнитного резонанса (1977).