История физики ХХ века

Ежегодно в мире проводится более сотни тысяч активационных анализов. В качестве примера можно упомянуть нейтронно-активационный анализ волос Исаака Ньютона, который был проведен в английском ядерном центре в Олдермастоне. Для исследования на присутствие золота и ртути облучение нейтронами продолжалось 5 дней, а на мышьяк, сурьму и серебро - до 14 дней. Оказалось, что содержание металлов с высокой токсичностью значительно превышало нормальный уровень, так количество ртути в волосах Ньютона в 40 раз превосходило норму. Полученные данные подтверждают предположение о том, что Ньютон в течение длительного времени болел вследствие ртутного отравления.

Инструментальный и радиохимический анализ. Облучение исследуемых проб приводит к образованию смеси радионуклидов различных химических элементов, входящих в пробу. Идентификацию отдельных радионуклидов осуществляют либо по их ядерно-физическим свойствам (энергия и вид испускаемых частиц, период полураспада), применяя для этих целей счетчики гамма-квантов и в-частиц и гамма-спектрометры, либо измеряя активность радионуклида в течение какого-то времени для установления его периода полураспада. Данные об интенсивности отдельных видов излучения, принадлежность которых установлена, используют для расчета содержания элементов в исследуемой пробе. На Рис.1 показан пример определения элементного состава образца по спектрам гамма-излучения ядер примеси.

Рис.1.Определение элементного состава образца по спектрам гамма-излучения.

Количество зарегистрированных в процессе анализа импульсов с учетом уменьшения активности во время измерения выражается следующим соотношением:

, (7)

где mx -- масса определяемого элемента в пробе, Y -- относительная распространенность изотопа, н -- квантовый выход излучения, е -- эффективность регистрации излучения данного вида, tизм -- время измерения.

Если период полураспада радионуклида достаточно велик, т.е. то выражение (7) принимает вид:

. (8)

Используя выражения (7) или (8), по измеренным значениям ДА вычисляют содержание исследуемого элемента mx в пробе. Заметим, что из последнего уравнения (8) следует, что с увеличением периода полураспада уменьшается число полезных зарегистрированных сигналов. Следовательно, экспрессность анализа будет выше при анализе проб по короткоживущим радионуклидам.

Приведенный метод определения содержания элемента по активности накопившегося радионуклида без привлечения эталона называется абсолютным методом. Однако в этом случае необходимо знать плотность потока и энергию бомбардирующих частиц. Например, при облучении проб реакторными нейтронами требуются данные о плотности потока и энергетическом спектре нейтронов, а также информация о величинах резонансных интегралов для облучаемых нуклидов, поскольку одни нуклиды (например, 23Na, 45Sc, 58Fe, 139La) преимущественно активируются тепловыми нейтронами, а другие (75As, 87Br, 121,123Sb, 181Ta, 197Au, 113,115In) и тепловыми, и резонансными нейтронами. Важным требованием в абсолютном методе является соблюдение постоянства потока активирующего излучения во времени. Необходимо также обеспечить измерение абсолютной активности накопившегося радионуклида с достаточной точностью.

Указанные выше трудности отсутствуют в относительном методе, при котором одновременно с анализируемой пробой облучается эталон с точно известным количеством определяемого элемента. Наведенные активности эталона и пробы измеряют в одинаковых условиях, а содержание определяемого элемента вычисляют из соотношения

, где mx и mэ -- масса элемента в пробе и эталоне; Ах и Аэ -- активность пробы и эталона, соответственно.

Такое исследование без разрушения образцов называют инструментальным активационным анализом. Если же при облучении пробы получается сложная смесь радионуклидов и ее невозможно расшифровать из-за совпадения или наложения близких по энергии гамма-квантов, то облученную пробу растворяют, проводят радиохимически чистое выделение отдельных элементов или группы элементов и затем по измеренной активности радионуклидов рассчитывают содержание элементов. Такой вариант называется активационным анализом с радиохимическим разделением.

Наряду с известными методами активационного анализа, к настоящему времени разработан ряд новых вариантов, в которых сочетаются техника активационного анализа и метод изотопного разбавления. Например, в безэталонном варианте с использованием субстехиометрии облученный образец растворяют, разделяют на две равные части mx1 и mx2. Далее к части mx1 добавляют известное количество стабильного носителя m0 и затем из обеих частей mx1 + m0 и mx2 выделяют одинаковые, субстехиометрические (меньшие стехиометрических) количества определяемого элемента дm, измеряют радиоактивность этих аликвот и вычисляют неизвестное содержание определяемого элемента:

. Так как mx = mx1 + mx2 и mx1 = mx2, то

,

где А -- активность радионуклида в пробе; Ax1 и Ax2 --активность аликвот, взятых из первой и второй половин раствора пробы соответственно; mx -- неизвестная масса определяемого элемента в пробе. В этом методе использовано уменьшение удельной активности первой половины раствора из-за добавки стабильного носителя m0.

Важным параметром любого метода анализа является предел обнаружения, определяемый как наименьшая концентрация, при которой исчезает аналитический сигнал. Однако, для однозначной идентификации и тем более для количественного определения этот сигнал и, следовательно, концентрация должны иметь значительно (примерно на порядок) большую величину. Поэтому для оценки аналитических методов введена такая характеристика, как предел определения -- минимальная концентрация, измеряемая с заданной погрешностью. Минимальная концентрация в активационном анализе зависит от минимальной активности, которая может быть измерена с заданной погрешностью. Подставив величину этой минимальной активности в уравнение (5), можно рассчитать минимальное количество вещества, доступное для определения при заданных условиях. Из соотношения (7) следует, что минимальная определяемая концентрация элемента в пробе будет тем ниже, чем больше сечение реакции и относительная распространенность активируемого изотопа и меньше период полураспада образующегося при облучении радионуклида.

Принято считать, что при количественном анализе радиоактивности необходимо регистрировать измерительным устройством не менее 18 имп/мин над фоном. Тогда при эффективности детектора 0,05 можно наблюдать минимальную активность Aмин, соответствующую 6 Бк. Если активация продолжается до получения активности насыщения, а время выдержки и измерения достаточно малы, то минимальное количество определяемого элемента в одном грамме анализируемой пробы, в соответствии с выражением (7), будет следующим:

,

где mxмин -- минимальная масса определяемого элемента в одном грамме пробы, Амин = 6 Бк -- минимальная наведенная активность определяемого элемента, поддающаяся измерению.

Нейтронно-активационный анализ. Ядра атомов большинства элементов легко поглощают нейтроны, особенно если скорость последних не очень велика. Это свойство атомных ядер и лежит в основе нейтронно-активационного анализа. В результате поглощения нейтронов ядрами чаще всего испускаются мгновенные гамма-лучи, поэтому такую ядерную реакцию называют радиационным захватом нейтронов и обозначают через (n,г). Радиационный захват нейтронов приводит, как правило, к образованию радиоактивных ядер. Иначе говоря, увеличение числа нейтронов в ядре на единицу делает его нестабильным. Так при поглощении нейтронов ядрами золота 197Au в реакции 197Au(n,г)198Au возникает радиоактивный изотоп золота 198Au с периодом полураспада 2.7 дня.

Количество данного радиоактивного изотопа, образующегося в веществе при облучении нейтронами, прямо пропорционально количеству его стабильного предшественника и, следовательно, служит мерой содержания элемента в анализируемом объеме. Например, чем выше концентрация примесного золота, тем больше возникает радиоактивных ядер 198Au.

Активация нейтронами ведет преимущественно к появлению бета-активных ядер. В результате бета-распада дочернее ядро может оказаться не только в основном, но в возбужденном состоянии.

Важно, что каждый сорт радиоактивных ядер характеризуется собственной энергией гамма-излучения, сопутствующего бета-распаду. Это обеспечивает возможность избирательного определения одного или нескольких элементов. Обычно регистрируют гамма-лучи объектов, активированных нейтронами, в широком диапазоне энергий, вследствие чего получаемый гамма-спектр содержит информацию о концентрации целого ряда химических элементов.

Чувствительность нейтронно-активационного анализа непосредственно связана с величиной потока нейтронов, облучающих исследуемый объект (см. формулы (4) - (6)). В современном нейтронно-активационном анализе используются очень интенсивные потоки нейтронов, плотность которых достигает 1014 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Это гарантирует высокую чувствительность метода: содержания многих элементов могут быть измерены с точностью до 10-9 грамм.

Высокая чувствительность позволяет анализировать с помощью нейтронов крайне малые образцы. Так, при изучении мономинеральных фракций лунных пород использовались образцы массой в несколько микрограмм. В то же время нейтронно-активационный анализ может проводиться без разрушения образца, что особенно ценно при исследовании уникальных объектов.

По сравнению с другими аналитическими методами в нейтронно-активационном анализе намного меньшее влияние так называемого «матричного эффекта». Это означает, что на определение примесных элементов практически не сказываются микроэлементы, составляющие основу вещества. Иными словами, нейтронно-активационному методу доступно измерение содержания микроэлементов в самых разнообразных материалах.

Гамма-активационный анализ основан на ядерных реакциях, при которых жесткие фотоны возбуждают реакции с выходом нейтронов и протонов. Среди большого числа методов элементного анализа гамма-активационный анализ выделяется большой селективностью и чувствительностью. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодической системы с пределом обнаружения до 10-7%. Для гамма-активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности (1015 - 1015 квант/с), которое получают на электронных ускорителях. В качестве источника фотонов в настоящее время используется тормозное излучение электронов с энергиями 10--30 МэВ. Важной характеристикой источника фотонов, определяющей эффективность гамма-активационного анализа, является спектральная яркость излучения. Гамма-активационный анализ в частности позволяет эффективно анализировать такие элементы, как Ca, Ni, Ti, Tl и Pb. Преимуществом гамма-активационного анализа перед нейтронно-активационным анализом является также то, что гамма-кванты могут глубже проникать в образец, следовательно, анализу могут подвергаться образцы больших размеров.

Нейтронография. Несмотря на большой прогресс в развитии техники, к настоящему времени не создано достаточно надежных и эффективных приборов, позволяющих непосредственно наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решетке или в молекулах. Самые совершенные электронные микроскопы позволяют наблюдать только очень крупные атомы, например урана или золота, расположенные вблизи более мелких. Наиболее распространенные электронные микроскопы позволяют наблюдать неоднородности с размерами в несколько атомов. Ионные микроскопы (проекторы) хотя и позволяют наблюдать расположение отдельных крупных атомов, но очень сложны в использовании. Точное определение расстояний между атомами или кристаллическими плоскостями этим методом крайне затруднительно. Сегодня самым эффективным методом изучения взаимного расположения атомов является дифракция микрочастиц: фотонов, электронов, нейтронов. Именно этими методами в основном получены данные о структуре кристаллов и молекул. При исследовании кристалла дифракционными методами на кристалл направляют почти параллельный пучок частиц, изучают распределение интенсивности дифракции этих частиц по разным направлениям (а иногда и при различных ориентациях кристалла), а затем по дифракционной картине делают выводы о типе элементарной ячейки кристалла и строении его базиса. Эти методы позволяют определять периоды кристаллической решетки с точностью до 4-5 знака и определять с точностью до 2-3 знака расположение атомов в базисе.

Для наблюдения дифракции необходимо, чтобы длина волны де-Бройля дифрагирующих частиц была соизмерима с периодом кристаллической решетки. Этому условию удовлетворяют фотоны при энергии Е = 5-20 кэВ (рентгеновское и гамма- излучение), электроны при Е = 10-100 эВ, и нейтроны при Е = 0,01- 0,1 эВ (тепловые нейтроны). Именно эти три частицы наиболее часто используются в дифракционных исследованиях кристаллов.

Однако, дифракция нейтронов на кристаллической решетке обладает существенным отличием от дифракции, например, рентгеновского излучения. Это отличие обусловлено главным образом разной природой рассеивающих центров. Если электромагнитные волны рассеиваются электронными оболочками атомов, то нейтроны, не имеющие заряда, рассеиваются ядрами. Это приводит, во-первых, к тому, что дифракция нейтронов слабо зависит от атомного номера кристалла, а во-вторых, дифракция может иметь особенности, связанные с наличием изотопов в исследуемом образце. Кроме того, наличие магнитного момента у нейтрона делает возможным исследование магнитной структуры исследуемых образцов. Значительный вклад в развитие нейтронографии, равно, как и других ядернофизических методов применительно к физике твердого тела внесли Нобелевские лауреаты 1994 года Бертрам Брокхауз и Клиффорд Шалл.

Климффорд Глемнвуд Шалл (англ. Clifford Glenwood Shull, 23 сентября 1915, Питтсбург, Пенсильвания, США--31 марта 2001, Медфорд, Массачусетс, США) -- американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1994 году (совместно с Бертрамом Брокхаузом) «за создание метода нейтронной дифракции».

Клиффорд Шалл родился в семье Дэвида и Дэйзи Шалл в районе Питтсбурга под названием Гленвуд (в честь которого получил своё второе имя), в штате Пенсильвания. Интерес к физике, как к возможной профессии в будущем, Шалл проявил на последнем году обучения в школе Шенли (англ. Shenley High School), где он проходил курс физики у Поля Дюсарта. После школы Шалл поступил в Технологический институт Карнеги (англ. Carnegy Institute of Technology, сейчас -- Университет Карнеги--Меллон), где слушал лекции по физике Гарри Хауэра, декана физического факультета, которые оказали на него сильное впечатление и еще более убедили в выборе дальнейшей профессии.

В январе 1934 года неожиданно умирает отец Шалла, что приводит к кризису в семье. Старший брат Клиффорда Перри Лео, недавно закончивший школу по художественной специальности, вынужден отказаться от идеи дальнейшего обучения и заняться отцовским бизнесом. Это продолжалось до конца обучения Клиффорда в институте в 1937 году. После обучения Шалл получает приглашение присоединиться к одной из исследовательских групп на факультете физики в Нью-Йоркском университете, занимающейся проблемами ядерной физики. Руководителями группы были Фрэнк Майерс (англ. Frank Myers) и Роберт Хантун (англ. Robert Huntoon), которые на тот момент работали над созданием генератора Кокрофт-Уолтона для ускорения дейтронов мощностью 200 кэВ. Шалл участвовал в первых испытаниях созданного ускорителя (опыты в области D-D-реакций).

В первом году своего пребывания в Нью-Йорке Шалл знакомится с Мартой-Нуэль Саммер, которая позднее становится его женой.

Во время обучения Шалла на третьем курсе, на факультете принимается решение о поддержке создания генератора Ван дер Граафа для ускорения электронов мощностью 400 кэВ. Создание ускорителя представлялось на тот момент важной задачей, поскольку помогло бы доказать существование у электронов спина или поляризации (предыдущие попытки в этом направлении были неудачными). В качестве ассистента Фрэнка Майерса, Шалл помогает в создании генератора, который впоследствии использует для проведения опытов по двойному рассеянию электронов для своей диссертационной работы. В июне 1941 года Шалл получает степень доктора наук.

В июле того же года Шалл переезжает с семьей в Бикон, Нью-Йорк, где до 1946 года работает в исследовательской лаборатории «Техасской компании» (англ. The Texas Company). Там он занимается изучением микроструктуры катализаторов с использованием газовой адсорбции, дифракции рентгеновского излучения и рассеяния. С вступлением США во Вторую мировую войну в декабре 1941 года эта область исследований приобрела особо важное значение, поскольку получаемые в лаборатории катализаторы использовались при изготовлении высокопроизводительного авиационного топлива. В это же время Шалл начинает интересоваться Манхэттенским проектом, в который были вовлечены многие крупные учёные-физики того времени. Его переходу туда препятствует руководство Техасской компании и Шалл вынужден оставаться в Биконе до конца войны.

После окончания войны Шалл возобновляет свои попытки по присоединению к Манхэттенскому проекту и на этот раз удачно. В июне 1946 года он вместе с семьей переезжает в Теннесси для работы в Национальной лаборатории Оук-Ридж. В Оук-Ридже Шалл работает вместе с Эрнестом Волланом (англ. Ernest Wollan), сконструировавшим элементарный двухосевой спектрометр для получения нейтронных дифракционных картин кристаллов и других материалов. За исследования в области нейтронной дифракции, проводившиеся в этой лаборатории, Шалл в 1994 году получит Нобелевскую премию по физике. Воллану разделить эту премию с Шаллом и Брокхаузом помешает его смерть в 1984 году.

В Оук-Риджской лаборатории Шалл работает до 1955 года, после чего переходит в Массачусетский технологический институт. Там он занимается обучением студентов на исследовательском реакторе MITR-I. На основе данных о нейтронной радиации, получавшейся в данном реакторе, группа Шалла проводила исследования в различных областях, включая намагниченность в кристаллах, технологию получения поляризованного излучения, динамическое рассеяние в идеальных кристаллах, интерферометрию и фундаментальные свойства нейтрона.

В 1986 году Шалл отошёл от научной и преподавательской деятельности. Он скончался 31 марта 2001 года, в возрасте 85 лет, в Мемориальном госпитале Лоуренса в Медфорде после скоротечной болезни. У Шалла трое сыновей -- Джон, Роберт и Уильям.

Бертрам Невилл Брокхауз (англ. Bertram Brockhouse 15 июля 1918, Летбридж, Канада -- 13 октября 2003, Гамильтон, Канада) -- канадский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1994 г. «за создание нейтронной спектроскопии» (совместно с Клиффордом Шаллом).

Бертрам Брокхауз был вторым из четырёх детей в семье Израэля Бертрама и Мэйбл Эмили Брокхауз (ур. Невилл). В конце 1926 г. семья переехала в Ванкувер, где в 1935 г. Бертрам Брокхауз окончил школу им. Короля Георга. Вскоре после этого семья, по причине бедности во время депресии, переехала в Чикаго, где Брокхауз работал ассистентом в лаборатории и занимался починкой радиоприёмников. Так как ситуация в семье после переезда в Чикаго не улучшилась, в 1938 г. последовал новый переезд обратно в Ванкувер. После начала второй мировой войны Брокхауз пошёл добровольцем на флот и служил там до окончания войны. На службе занимался в основном эксплуатацией оборудования ASDIC -- предшественника сонаров.

После окончания войны он поступает в конце 1945 г. при помощи департамента поддержки ветеранов в университет британской Колумбии. Изучает физику и математику. В 1947 г. получил степень бакалавра в лаборатории низких температур. После этого он переводится в университет Торонто и через 8 месяцев получает там степень магистра. После защиты диссертации в 1950 г. получает место в лаборатории Чок Ривер -- канадскому учреждению по ядерной энергии. С 1960 г. возглавляет там отделение нейтронной физики.

В 1962 г. Брокхауз стал профессором в университете Мак-Мастера в Канаде, где и оставался до пенсии в 1984 г.

В 1994 г. удостоен, совместно с Клиффордом Шаллом, Нобелевской премии по физике. В 1982 г. присвоено звание кавалера ордена Канады и в 1995 г. посвящён в компаньоны.

В октябре 2005 г. в рамках празднования 75-тилетия университета Мак-Мастера, Университетская авеню в городе Гамильтоне переименована в честь Брокхауза в Брокхауз-уэй

Структурная нейтронография уже давно заняла прочные позиции в ряду других методов изучения кристаллической структуры. Появление в последние годы высоко поточных атомных реакторов, автоматических нейтронных дифрактометров, управляемых ЭВМ, а также комплексов специальных компьютерных программ обработки нейтроно-дифракционных данных необычайно расширило возможности структурной нейтронографии и обусловило резкое возрастание интереса к ней со стороны физиков, химиков, биологов, металлургов. Структурная нейтронография - это метод изучения строения молекул, кристаллов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об атомной и магнитной структуре кристаллов получают из экспериментов по дифракции нейтронов, о тепловых колебаниях атомов в молекулах и кристаллах -- из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области нейтронографии принадлежат Ферми (1946).

Структурная нейтронография - один из современных методов структурного анализа кристаллов. Геометрическая теория дифракции всех трёх излучений - рентгеновских лучей, электронов, нейтронов - одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Как уже указывалось выше, рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) - атомными ядрами, электроны - электрическим потенциалом атомов. Вследствие этого структурная нейтронография имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность атомов характеризуется атомной амплитудой рассеяния. Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что атомная амплитуда рассеяния нейтронов для различных элементов (в отличие от рентгеновских лучей) несистематическим образом зависит от порядкового номера элемента в периодической системе. В частности, рассеивающие способности лёгких и тяжёлых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение атомной структуры соединений лёгких элементов с тяжёлыми является специфической областью структурной нейтронографии. Прежде всего, это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент - водород. Рентгенографически и электронографически в некоторых благоприятных случаях удаётся определить положение атомов водорода в кристаллах его соединений с другими лёгкими атомами (с Z ‹ 30). Нейтронографически определение положения атомов водорода не сложнее, чем большинства других элементов, причём существенная методическая выгода достигается заменой в изучаемой молекуле атомов водорода на его изотоп -- дейтерий. С помощью нейтронографии определена структура большого числа органических соединений, гидридов и кристаллогидратов, уточнена структура различных модификаций льда, водородсодержащих сегнетоэлектриков и т.д., что дало ряд новых данных для развития кристаллохимии водорода.

Внимание к исследованиям электромагнитных процессов в кристаллах с участием быстрых заряженных частиц обусловлено предсказанием и обнаружением ряда неизвестных ранее физических эффектов, которые открыли новые возможности не только в изучении фундаментальных закономерностей взаимодействия релятивистских частиц с веществом, но и в области прикладной ядерной физики для получения интенсивных пучков фотонов высокой энергии, управления параметрами пучков релятивистских частиц, исследования свойств кристаллов и т.д. Электромагнитные процессы, сопровождающие прохождение быстрых заряженных частиц через различные среды, достаточно многообразны и их исследование еще далеко не завершено. К таким эффектам относятся когерентные и интерференционные эффекты в излучении, явление каналирования и связанное с ним спонтанное электромагнитное излучение, ориентационные эффекты в рассеянии быстрых заряженных частиц в кристаллах. История открытия и изучения многих из них насчитывает уже не один десяток лет и к настоящему времени накоплен большой теоретический и экспериментальный материал в этой области физики. Дальнейшие исследования в этой области, особенно при сверхвысоких энергиях частиц, несомненно, помогут найти ответы на многие вопросы современной квантовой электродинамики и дадут ключ к созданию новых технологий в экспериментальной и прикладной физике.

Хорошо известно, например, что электромагнитное излучение может происходить при ускорении частицы, при распространении частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость электромагнитных волн, или при перестройке собственного поля частицы вследствие изменения диэлектрической восприимчивости среды. Эти причины порождают многообразие различных типов электромагнитного излучения, которые служат либо для определения характеристик самих излучающих частиц, либо используются как инструмент для других физических исследований.

Поиск новых источников интенсивного электромагнитного излучения в разных диапазонах частот постоянно способствует развитию теоретических и экспериментальных исследований различных типов электромагнитного излучения релятивистских частиц в веществе и во внешних полях. Например, вопросы физики г-г реакций попадают в сферу все большего внимания, как теоретиков, так и экспериментаторов. Эта область физики является интенсивно развивающейся. В этой связи развитие экспериментальных методов получения интенсивных потоков фотонов высоких энергий (более 100 ГэВ) значительно расширило бы круг исследований электрослабых и сильных взаимодействий. Поэтому решение проблемы источника фотонов высоких энергий является определяющей для дальнейшего прогресса исследований в этой области.

В последние годы был открыт целый ряд, так называемых, ориентационных эффектов, возникающих при прохождении быстрых заряженных частиц через кристаллы. Эти эффекты уже нашли широкое применение в радиационной физике твердого тела, ядерной физике, физике сверхтонких взаимодействий и т.п. Существующая со времен Бора теория прохождения заряженных частиц через вещество не может быть использована для интерпретации этих эффектов, так как в этой теории не учитывается периодическая структура кристаллов (а именно из-за периодичности решетки и возникают ориентационные эффекты).

Волокно и фотоаппарат

В 2009 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, изменившие мир. Причем сделавшие это почти на бытовом уровне - их изобретения позволили расцвести высокоскоростному Интернету, цифровой фотографии, а также превратили астрономию в одну из самых красивых наук, подарив ей возможность делать великолепные снимки. Чарльз Као удостоился половины Нобелевской премии в 975 тысяч евро за свои работы по созданию оптоволоконных сетей передачи данных.

Американский физик китайского происхождения Чарлз Куэн Као родился 4 ноября 1933 года в Шанхае. С давних времен семья Као считалась зажиточной, так как прежние поколения были умелыми земледельцами. Дети каждого поколения получали хорошее образование. Не стал исключением и Чарлз. С раннего детства он и его младший брат Тимоти изучали китайскую классику. Всячески способствовал этому дед Чарлза - Гао Чуйвань. Дед был поэтом и сочинял прекрасные стихи, которые записывал традиционным каллиграфическим методом. Дед также коллекционировал книги и был членом революционной организации Нан Ше, которая принимала участие в Синьхайской революции 1911 года.

Из-за утраты двух старших братьев, Чарлз и Nимоти росли очень избалованными, но под постоянной опекой нянь. Обучение мальчиков происходило на дому. Приходили два учителя, один преподавал "столбы" конфуцианства и заставлял цитировать заученные строки наизусть, другой преподавал английский язык. В десять лет Чарлз был отдан в школу. Первый день для него был шокирующим: он еще никогда не видал столько кричащих и бегущих детей. Школа, в которой учился Чарлз, была многонациональной. Способствовало этому то, что дом семьи Као находился во французском сеттльменте. Благодаря такому стечению обстоятельств семья практически не пострадала от ужасов японской оккупации. Поэтому большую часть свободного времени семья Као проводила за бриджем и другими карточными играми. С окончанием войны с Японией проблемы не окончились, на территории Китая начала заправлять Красная Армия. Нередко в доме возникали дискуссии о выезде из Китая. В 1948 году семья покинула Шанхай. Ненадолго пробыв на Тайване, они обосновались в Гонконге. С помощью родственников матери, они сразу нашли уютную квартиру, а Чарлз с братом были зачислены в колледж Святого Джозефа, где учились их двоюродные братья. В колледже Чарлзу пригодилось знание английского языка, поскольку на нем велось обучение. Аттестат зрелости он получил в 1952 году. Позже Чарлз скажет, что одноклассники запомнили его как исключительного тихоню, поскольку он никогда не интересовался спортом, практически ни с кем не разговаривал, а занимался только учебой.

После получения среднего образования, Чарлз хотел продолжить обучение в Гонконгском университете. Но после войны это учебное заведение не могло дать тот уровень знаний, который ему был нужен. Чарлз хотел изучать электротехнику, и поэтому обратился в Британское посольство в способствовании его выезду в Великобританию. Помощь была оказана и в 1953 году он на лайнере "P&O" отправился в Англию.

В Лондоне он поступил в Политехнический университет Вулвич (который позже был преобразован в Гринвичский университет). В 1957 он получает степень бакалавра по электротехнике. После окончания университета он устроился на работу в Standard Telephones & Cables (STC), британскому филиалу американской International Telephone & Telegraph (ITT). Около года он работал как стажер. Ему понравилось, и он остался еще на 2 года. В течение трех лет пребывания в STC он встретил свою будущую жену Гвен, которая работала в той же фирме этажом выше. После этого, чувствуя, что нужно двигаться дальше, Као устраивается в Политехнический университет Лафборо.

Однажды высшее руководство STC получило отчеты об исследованиях Као и незамедлительно предложило должность в научно-исследовательской лаборатории, которая находилась в Харлоу. Дабы дать дополнительный стимул, в Харлоу сразу нашлась работа для жены Чарлза. Университет не хотел мирно отпускать Чарлза, так как он с женой взял ипотеку под поручительство учебного заведения. Но к счастью, адвокаты STC быстро решили все проблемы. После этого судьба на 30 лет связала Као с STC. В 1965-ом Чарлз получил степень доктора философии в Имперском колледже Лондона. В 1966 году Као совместно с Джорджем Хокхэмом совершает новаторское открытие, из которого следует, что высокие потери в передаче данных по волокну вызваны не самой технологией, а примесями в стекле. Результаты своих исследований он представляет в том же году. Позже выходит его отчёт с изложением ключевых особенностей волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи являются основой телекоммуникаций сегодняшнего дня.

В то время стандартный уровень затухания сигнала составлял 100 дБ/км. Оптоволокно имело ограниченную сферу применения, например, использовалось в медицине для передачи изображения из желудка пациента. В своем отчете Чарлз обосновывает, что можно уменьшить затухание до 20 дБ/км, то есть дальность передачи можно довести до 100 км, если увеличить прозрачность стекла. Это был невероятный прорыв, ибо никто раньше предположить не мог, что такое теоретически возможно. Работа Као была первой на эту тему, и породила целую волну научных изысканий от других исследователей. В 1971 году американская компания Corning Glass Works изготовила первый километровый образец оптоволокна из плавленого кварца. Новый материал позволил уменьшить затухание до 17 дБ/км, а добавка диоксида германия снизила его до 4 дБ/км. В наше время лучше образцы оптоволокна имеют показатель затухания менее 0,2 дБ/км. Као первым предложил использовать волоконно-оптические кабели для передачи информации на большие расстояния (до этого их дальность ограничивалась несколькими метрами). По началу в эту идею мало кто верил, но личная роль учёного в процессе инженерной и коммерческой реализации проекта в корне изменила индустрию телекоммуникаций. В 1967 году родители Као эмигрировали в Англию, чтобы быть поближе к сыну и внукам (в 1961 у Чарлза и Гвен родился сын, а в 1963 - дочь). В 1970-ом он просит у руководства STC отпуск на 2 года, для формирования факультета электротехники в Гонконгском университете. Два года растянулись на четыре... Но после первого же выпуска своих студентов, Чарлз незамедлительно возвращается на работу в STC, чтобы не отстать от событий в области исследования оптоволокна. Также, за 4 года он очень соскучился по родителям, которые продолжали жить в Харлоу. В 1974 году проект, над которым работал Чарлз еще в 1966 году, благодаря техническому прогрессу подошел к стадии разработки подготовки производства. Настало время, чтобы реконструировать телекоммуникационные системы во всем мире. Поэтому ITT переводит Као на завод в Роаноке (штат Вирджиния). Сначала он получил должность руководителя исследовательских работ, позже вице-президента, а потом и Директора электрооптического отделения. В это время он часто он посещает различные лаборатории в Европе, чтобы быть в курсе последних разработок. К 1980-ым годам оптоволокно во всем мире было проложено в больших количествах, промышленность его производства развивалась бешеными темпами. Поэтому правление компании назначило Као координатором, отвечающего за все научно-исследовательские действия в этом направлении. Для этого Чарлз переезжает в главный офис компании в Коннектикут. Должность дала ему полную свободу действий. Пользуясь своим положением он создает Оптоэлектронный технологический проект "Терабит". Задание для этого проекта было достигнуть передачи данных в несколько терабит за секунду. С заданием справились на отлично - скорость была достигнута. Позже Чарлз Као скажет: "Интернет родился!". В 1986 году снова поступает предложение от Гонконгского университета. Као принимает предложение, и руководит университетом с 1987 по 1996. Такое странное решение было вызвано не столько предложением Гонконга, как то, что компания ITT начала продажу всех технических подразделений компании Alcatel. Потом работал генеральным директором компании Transtech.

В 1996 году в честь учёного назван астероид Каокуэн, открытый в 1981 году. В 2000 году основывает Академию развития независимого образования (Independent School Foundation Academy).

В начале 2004 года у Као обнаружили слабые признаки болезни Альцгеймера, которой ранее страдал его отец. В 2009 году Чарлз переехал в Калифорнию, чтобы быть поближе к своим детям, которые работают в Кремниевой долине.

В 2009 году Чарлзу Као была присуждена Нобелевская премия по физике "за выдающиеся достижения, касающиеся передачи световых сигналов в волокнах и развитие оптических систем передачи данных".

Као также награжден Премией Мори (1976), Премией Ранка (1978), премией Эрикссона (1979), Медалью Белла (1985), Премией Общества Маркони (1985), Медалью Фарадея (1989), Премией Макгруди (1989), Орденом Британской империи (1993), Золотой медалью Великобритании (1995), Медалью принца Филиппа (1996), Премией Японии (1996), Премией Дрейпера (1999), Золотой медалью Гонконгского инженерного института (2006). Као является членом Лондонского королевского общества, Китайской академии наук, Европейской академии наук и искусств, тайваньской Academia Sinica.

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837--1901 гг.), но прозрачность оптических проводов оставляла желать лучшего - электромагнитная волна внутри них быстро угасала). Кроме того, свет уходил из волокон через царапины и повреждения. Решение второй проблемы было найдено достаточно быстро - волокна стали плакировать, то есть покрывать слоем металла. Проблема затухания была решена Чарльзом Као, виновниками ослабления были ионы металлов, присутствующие в стекле. Революционная работа Као, вышедшая в 1966 году, содержала всего 8 страниц. Немногим позже Као и его коллегой Хокамом была создана полная теория работы оптоволокна и предложен наиболее подходящий материал для его производства - плавленый кварц.

Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передачи, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи. Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон.

Конструкция. Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей -- сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины -- 1,479.

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина -- оболочка».

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF -- Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF -- Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF -- Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения -- каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе -- показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду. Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях. Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами -- например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая -- для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые световоды, превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором -- малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Полное внутреннее отражение в оптической среде

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов -- сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях -- от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа -- Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) -- термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

высокоскоростной доступ в Интернет;

услуги телефонной связи;

услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.

Историю систем передачи данных на большие расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые сигналы. С того времени эти системы кардинально улучшились, появились сначала телеграф, затем -- коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения: для электрических систем это явление затухания сигнала на определённом расстоянии, для СВЧ -- несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено -- оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.

В 1966 году Као и Хокман из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5-10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить. Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая -- с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Glass Works. Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время, были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры. После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями -- 10 км.22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы всё ещё были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км. Первый трансатлантический телефонный оптический кабель -- ТАТ-8 -- был введён в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная технология Desurvire усиления лазера.ТАТ-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой. Разработка систем волнового мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с)[1]. В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров.

Революция фотоаппарата. В 60-годах прошлого Уиллард Бойл и Джордж Смит, будущие лауреаты Нобелевской премии 2009 года работали в Bell Labs. В это время главным проектом этого исследовательского подразделения корпорации AT&T было создание запоминающего устройства на тонких магнитных пленках Buble Memory. Устройство было создано, но, после открытия гигантского магнетосопротивления, цены на жесткие диски упали и производство устройств типа Buble Memory стало нерентабельным. Но в 60-е годы проект Buble Memory шел полным ходом и в октябре 1969 года тогдашний вице-президент Bell Labs Джек Мортон решил сократить финансирование подразделения, которое занималось полупроводниковыми схемами. Чтобы не допустить этого, глава подразделения Уиллард Бойл решил срочно придумать конкурента Buble Memory. Для этого он и руководитель одного из отделов Джордж Смит 17 октября 1969 года засели в офисе Бойла и занялись интенсивным мозговым штурмом. Спустя примерно час на свет родилась идея ПЗС-матрицы (Charge-Coupled Device - CCD).

Американский физик канадского происхождения Уиллард Стерлинг Бойл (Willard Sterling Boyle) родился 8 июля 1924 года в Амхерсте (провинция Новая Шотландия, Канада).

Мать Уилларда была врачом. В трехлетнем возрасте он вместе с семьей переехал в Квебек. До 14 лет учился дома под присмотром матери. После этого поступил в Монреальский Lower Canada College, где получил среднее образование. В 1943 году из-за Второй Мировой войны прервал обучение в Университете Макгилла, чтобы присоединиться к Канадскому военно-морскому флоту. Потом вступил в ряды Британского военно-морского флота. После войны получил степень бакалавра (1947), степень магистра (1948) и степень доктора философии (1950) в Университете Макгилла.

После окончания обучения провел один год в Канадской радиационной лаборатории. Потом Бойл переехал в Кингстон (провинция Онтарио), где два года преподавал физику в Королевском канадском военном колледже.

В 1953 году начал работать в Лаборатории Белла. Через 9 лет совместно с Доном Нельсоном изобрел непрерывно работающий рубиновый лазер. В 1962 году стал директором отдела Космических исследований Беллкомм (филиал Лаборатории Белла). Во время пребывания на этой должности оказывал поддержку в разработке космической программы "Аполлон", также помогал выбирать участки для прилунения. В 1964 году Бойл вернулся в Лабораторию Белла и начал работать над разработкой интегральных схем.