Нобелови лауреати – 1964 година – Физика – Николай Басов

Николай Генадиевич Басов

14 декeмври 1922 г. – 1 юли 2001 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Александр Прохоров и Чарлз Таунс)

(За фундаменталната му работа в областта на квантовата електроника, довела до изграждането на осцилатори и усилватели, базирани на принципа мазер-лазер.)

Руският физик Николай Генадиевич Басов е роден в село (днес град) Усмин, близо до Воранеж, в семейството на Генадий Фьодорович Басов и Зинаида Андреевна Молчанова. Баща му, професор във Воронежкия институт по горско стопанство, е специалист по влиянието на горските насаждения върху подземните води и повърхностния дренаж. Като завършва училище през 1941 г., младият Басов отива да служи в Съветската армия. По време на Втората световна война се подготвя за асистент-лекар в Куйбишевската военно-медицинска академия и е изпратен на Украинския фронт.

След демобилизирането си през 18945 г. Басов учи теоретична и експериментална физика в Московския инженерно-физически институт. През 1948 г., две години преди завършването на института, започва да работи като лаборант във Физическия институт „П. Н. Лебедев“ към Академията на науките на СССР в Москва. Когато получава диплома, продължава да учи под ръководството на М. А. Леонтович и Александр Прохоров и защитава кандидатска дисертация (аналогична на магистърска) през 1853 г. Три години по-късно става доктор на физико-математическите науки, като защитава дисертация, посветена на теоретичните и експерименталните изследвания на молекулярния генератор, в който като активна среда се използва амоняк.

Основният принцип, лежащ в основата на молекулярния генератор (известен днес като мазер, по началните букви на английското словосъчетание, означаващо микровълново усилване с помощта на стимулирано излъчване), е разяснен за първи път от Алберт Айнщайн през 1917 г. Изследвайки взаимодействието между електромагнитното излъчване и група молекули в затворено пространство, Айнщайн извежда уравнение с три члена, съдържащи нещо неочаквано. Те описват поглъщането и излъчването от страна на молекулите. Специалистите по квантова механика доказват, че електромагнитното излъчване се състои от дискретни единици енергия, наречени фотони, и че енергията на всеки фотон е пропорционална на честотата на излъчване. Също така енергията на атомите и молекулите, свързана с конфигурацията и движението на техните електрони, е ограничена от някои дискретни значения, или енергетични равнища. Множество енергетични равнища са индивидуални за конкретния атом или молекула. Фотоните, чиято енергия е равна на разликата между две енергетични равнища, могат да се поглъщат и тогава атомът или молекулата преминават от по-ниско на по-високо енергетично равнище. Известно време след това те пак се връщат спонтанно на по-ниско равнище (не е задължително да е това, от което са стартирали) и отделят енергия, равна на разликата между предишното и новото равнище, във вид на фотон излъчване.

Първите два члена в уравнението на Айнщайн са свързани с вече известните процеси на поглъщане и спонтанно излъчване. Третият член, открит от Айнщайн, е свързан с неизвестно до това време излъчване. Това е преход от по-високо на по-ниско енергетично равнище, предизвикан от наличието на излъчване с подходяща честота, чиито фотони имат енергия, равна на разликата между двете равнища. Понеже въпросното излъчване не става спонтанно, а се предизвиква от специални обстоятелства, то е наречено стимулирано (индуцирано) излъчване. Макар че това е интересно явление, ползата от него не е очевидна. Физическият закон, формулиран от австрийския физик Лудвиг Болцман, доказва, че в състояние на равновесие по-високите енергетични равнища са заети от по-малък брой електрони отколкото по-ниските. Затова при индуцираното излъчване участват относително малко атоми.

Басов измисля начин как да използва индуцираното излъчване, за да усили постъпващото излъчване и да създаде молекулярен генератор. За да постигне това, му се налага да получи състояние на веществото, което се характеризира с инверсна наситеност на енергетичните равнища, увеличавайки броя на възбудените молекули спрямо броя на молекулите, намиращи се в основно състояние. Това той успява да постигне с помощта на отделяне на възбудените молекули, използвайки за целта нееднородни електрически и магнитни полета. Ако след това се облъчи веществото с излъчване в необходимата честота, чиито фотони притежават енергия, равна на разликата между възбуденото и основното състояние на молекулите, възниква индивидуално излъчване със същата честота, усилващо подавания сигнал. След това Басов успява да създаде генератор, насочвайки част от излъчваната енергия, за да възбуди повече молекули и да получи още по-голяма активация на излъчването. Полученият прибор е не само усилвател, но и генератор на излъчване с честота, точно определен от енергетичните равнища на молекулите.

На Всесъюзната конференция по радиоспектроскопия през май 1952 г. Басов и Прохоров предлагат конструкция на молекулярен генератор, основаващ се на инверсна наситеност, но не публикуват идеята до 1954 г. На следващата година те поместват бележка за „метода на трите равнища“. Според тази схема, ако атомите бъдат приведени от основно състояние на най-високото от три енергетични равнища, на междинното равнище ще се окажат по-голям брой молекули, отколкото на по-ниското, и може да се получи индивидуално излъчване с честота, съответстваща на разликите между енергиите на двете по-ниски равнища.

Американският физик Чарлз Х. Таунс, работейки самостоятелно в същото направление в Колумбийския университет, създава през 1953 г. работещ мазер (той и колегите му измислят този термин), десет години преди Басов и Прохоров да публикуват своя първи труд за молекулярните генератори. Таунс използва резонансна кухина, запълнена с възбудени молекули на амоняк, и постига невероятно усилване на микровълните с честота 24000 мегахерца. През 1960 г. американският физик Теодор Майман, работейки в компанията „Хюз ейркрафт“, построява прибор, основан на принципа за трите равнища, който усилва и генерира червена светлина. За резонансна кухина Мейман използва дълъг кристал на синтетичен рубин с огледални краища; възбуждащото излъчване се получава при разряди в заобикаляща рубина тръбичка, запълнена с ксенон (аналогична на неоновата тръба). Приборът на Майман става известен като лазер – название, образувано от началните букви на английското словосъчетание, означаващо светлинно усилване с помощта на индуцирано излъчване.

Басов пише сам и в съавторство няколкостотин статии за мазерите и лазерите. Неговите трудове за лазерите излизат към 1957 г., когато започва с колегите си тяхната разработка и конструиране. Той разработва самостоятелно много видове лазери, основаващи се на кристали, полупроводници, газове, различни комбинации от химични елементи, а също така многоканални и мощни краткоимпулсни лазери. Освен това Басов демонстрира първи действието на лазер в ултравиолетовата област на електромагнитния спектър. Заедно със своите фундаментални изследвания за инверсната наситеност в полупроводниците и за преходните процеси в различните молекулярни системи той обръща съществено внимание и на практическото приложение на лазерите, особено на възможностите за тяхното използване при термоядрения синтез.

От 1958 до 1972 г. Басов е заместник-директор в института „П. Н. Лебедев“, а от 1973 до 1989 г. е негов директор. В института той ръководи лабораторията по радиофизика от момента на нейното основаване през 1963 г. От тази година той е също и професор в Московския инженерно-физически институт.

През 1950 г. Басов се жени за Ксения Тихоновна Назарова, семейството има двама сина.

Освен с Нобелова награда Басов е удостоен два пъти със званието Герой на социалистическия труд (1969 и 1982 г.), награден е и със златния медал на Чехословашката академия на науките (1975 г.). Той е избран за член-кореспондент на Академията на науките на СССР (1962 г.), за действителен член (1966 г.) и за член на Президиума на Академията (1967 г.). Член е на много други академии на науките, сред които академиите на Полша, Чехословакия, България и Франция; член е също така на Германската академия на естествоизпитателите „Леополдина“, на Шведската кралска академия на инженерните науки и на Американското оптично дружество. Басов е заместник-председател на изпълнителния съвет на Световната федерация на научните работници и на Световния съвет на мира, както и главен редактор на научно-популярните списания „Природа“ и „Квант“. Избран е за член на Върховния съвет през 1974 г., член е на неговия Президиум през 1982 г.

Превод от руски: Павел Б. Николов