НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1966 ГОДИНА – ФИЗИКА – АЛФРЕД КАСТЛЕР

Алфред Кастлер (Alfred Kastler)

3 май 1902 г. – 7 януари 1984 г.

Нобелова награда за физика

(За откриването и разработването на оптични методи за изследване на резонанса на Херц в атомите.)

Френският физик Алфред Кастлер е роден в село Гебвилер в Елзас, принадлежащо по това време на Германия, в семейството на Фредерик Кастлер и Анн Фрей. Детската любознателност и силното впечатление, предизвикано от едно слънчево затъмнение, събуждат рано в него интерес към естествените науки. След като завършва начално училище, момчето постъпва в Оберреалшуле – реално училище, преименувано след присъединяването на Елзас към Франция след края на Първата световна война в лицей „Бартолди“. През 1920 г. Кастлер е приет в „Екол нормал супериор“.

След завършването му Кастлер преподава физика в лицеите в Мюлуз, Колмар и Бордо, а след това следва аспирантура и едновременно работи като асистент в университета в Бордо (1931 г.). През 1936 г. защитава успешно докторска дисертация по физика, разглеждаща възбуждането на живачните атоми. През следващите две години Кастлер преподава в университета в Клермон Феран, а през 1938 г. е назначен за професор по физика в университета в Бордо. След като се връща през 1941 година в Париж, Кастлер преподава в „Екол нормал супериор“, където през 1945 г. получава званието професор. В това учебно заведение той работи до пенсионирането си. През 1953 и 1954 г. е поканен на работа като външен професор в Лювенския университет (Белгия).

Първите изследвания на Кастлер са посветени на взаимодействието на светлината и електроните в атомите. Ако говорим опростено, можем да смятаме, че електроните обикалят около атомното ядро по различни орбити, въртейки се и около собствената си ос като пумпали. Квантовата теория разрешава на електроните да се движат по напълно определени орбити, съответстващи на дискретни енергетични равнища. Поглъщайки енергия от падаща светлина, те преминават на по-високи енергетични равнища. При обратни преходи, към по-ниски равнища, електроните освобождават погълната преди това енергия, излъчвайки светлина. Като всяка друга разновидност на електромагнитно излъчване светлината се състои от порции енергия, наречени фотони. Енергията на погълнатия или излъчения фотон, пропорционална на честотата на погълнатата или излъчената светлина, е равна на разликата в енергиите на равнищата, между които става преходът.

Атомът на всеки химически елемент има свой, присъщ само на него брой от разрешени енергетични равнища. Тъй като възбудените атоми излъчват светлина само на честоти, съответстващи на разликата на енергиите между равнищата, спектрите на излъчване, наблюдавани например с помощта на спектроскоп, се състоят от серии цветни линии (цветът на линиите съответства на честотата на видимата светлина). Спектърът позволява не само да се идентифицира химическият елемент, но и да се получи информация за характерното за неговите атоми разположение на енергетичните равнища, иначе казано – за тяхната структура. По-прецизното разглеждане показва, че спектралните линии в действителност представляват ленти от тънки, плътно разположени линии. Атомните енергетични равнища представляват цяла съвкупност от подравнища. Разделянето на равнищата на подравнища се определя от различните свойства на електрона, например от неговия спин. Детайли на атомната структура могат да бъдат открити по изместването на спектралните линии на подравнищата, настъпващо под въздействието на електромагнитни полета. Обаче оптичната спектроскопия не може да раздели достатъчно точно близко разположените линии.

Към края на 40-те години в най–прецизните експерименти се използва радиочестотната спектроскопия. Един от методите, известен като метод на магнитния резонанс в атомните снопчета, е свързан с Изидор А. Раби и неговата група от Колумбийския университет. Раби и неговите колеги използват своя метод за точни измервания на атомните енергетични равнища в основно състояние (състояние с най-ниска енергия). Основното състояние може да има няколко магнитни подсъстояния, които са незначително разделени от магнитно поле. Следователно, като се въздейства върху атомите с помощта на магнитно поле, което има съответно подбрана честота, може да се индуцира преход от едно подравнище на друго. Под съответно подбрана честота на магнитното поле се има предвид такава, при която енергията на фотоните е равна на разликата на енергиите между подравнищата. Именно такива честоти лежат в радиодиапазона. Използвайки специални магнити и процепи, колумбийската група успява да получи тесни атомни снопчета, при което детекторите могат да регистрират само атоми в определени състояния. Ако полето е настроено на правилната честота, промяната на броя на атомите, достигащи до детектора, свидетелства, че става преход от едно равнище на друго. Като знае енергията на фотоните, предизвикващи прехода, групата на Раби успява да изчисли енергетичните равнища, съответстващи на подсъстоянията. Подобно съответствие между радиочестотите на полето, предизвикващо прехода, и разликата на енергиите между подравнищата, се нарича резонанс на Херц (в чест на Хенрих Херц, предложил първото експериментално доказателство за съществуването на радиовълните). С името на Херц днес е наречена и единицата за честота.

Методът на магнитния резонанс в атомния сноп има своите ограничения: средното време на съществуване на възбуденото състояние, преди да излъчи енергия и да се върне в основно състояние, е много малко (около една десетмилионна част от секундата) и само малък брой атоми осъществяват индуциран от резонанса преход. Кастлер заедно със своя студент Жан Бросел разработва няколко метода, при които светлината се използва за преодоляване на някои от ограниченията на магнитния резонанс в атомния сноп. Методът на Кастлер получава названието метод на двойния резонанс.

При този метод сноп светлина със съответна честота възбужда атоми до определено енергетично равнище. Но при това всичките подравнища се оказват заети. Следователно при обратните преходи на атомите в основно състояние светлината се излъчва нееднакво в различни направления, при това във всяко направление е частично поляризирана. Ако електромагнитното поле, приложено към възбудените атоми, има честота (енергия на фотоните), необходима, за да се индуцират преходи между заетите и незаетите подравнища, излъчваната светлина променя както пространстеното разпределение, така и поляризацията. Това изменение свидетелства, че радиочестотата е настроена по отношение на разликите на енергиите между подръвнищата. Методът на Кастлер е средство за точно определяне на подравнищата на възбудените атомни състояния.

През 1950 г. Кастлер съобщава за още един метод, който получава названието оптично напомпване и позволява да се преместват електроните в атомите от едно магнитно подравнище на основното състояние към друго. При този метод по специален начин се насочва поляризирана светлина върху група атоми. Ако основното състояние има две магнитни подравнища, атомите на едното подравнище поглъщат светлината и преминават във възбудено състояние, докато атомите на другото подравнище не правят това. Излъчвайки и връщайки се в основно състояние, атомите заемат и поглъщащи, и непоглъщащи равнища. В този случай се казва, че светлината „е напомпала“ атоми в непоглъщащото основно състояние.

Стремейки се към по-нататъшно усъвършенстване на своята експериментална методика, Кастлер и Бросел създават през 1951 г. специална група към физическата лаборатория на „Екол нормал супериор“. Повече от петнадесет години тяхната група и други учени допринасят за уточняване на атомните подравнища и за изучаване на квантовомеханичните явления.

Освен че получават важна информация за подравнищата на основните състояния на много атоми, физиците се научават да насочват по желание ядрата на атомите в парите на живака и кадмия. Това им позволява да измерят точно някои магнитни свойства на ядрата. Използвайки оптичното „напомпване“, експериментаторите успяват да създадат мишени, състоящи се от поляризирани атоми. След това тези мишени се подлагат на бомбардиране със снопчета частици при експериментите по ядрена физика.

След пенсионирането си през 1968 г. до 1972 г. Кастлер заема поста ръководител на научните изследвания в Националния център за научни изследвания.

През 1924 г. Кастлер се жени за учителката Елиз Косе. Семейството има двама сина и дъщеря. Необичайно скромен, вглъбен в себе си човек, Кастлер участва въпреки това в редица политически събития. Той се изказва в подкрепа на Израел, убеден противник е на ядреното оръжие, критикува остро ролята на САЩ във Виетнамската войн, подкрепя алжирското движение за независимост.

Освен с Нобелова награда Кастлер е удостоен с наградата Холвек на Лондонското физическо дружество (1954 г.), с наградата за научни изследвания на Френската академия на науките (1956 г.) и с други почетни награди. Член е на Френската академия на науките (1964 г.) и почетен член на научни дружества на Полша, Германия, Унгария и Белгия. През 1952 г. става кавалер, а през 1977 г. командор на Ордена на почетния легион . Почетен доктор е на университетите в Лювен, Пиза и Оксфорд.

Превод от руски: Павел Б. Николов