История радиофизики. Модульный курс для магистров

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Московский педагогический государственный университет»


В. А. Ильин, В. В. Кудрявцев

ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ Модульный курс для магистров


Учебное пособие













МПГУ
Москва • 2017

УДК 53 (075.8)
ББК 22.3гя73
      И46





Рецензенты:
Григорий Наумович Гольцман, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики Московского педагогического государственного университета (МПГУ), руководитель Учебно-научного радиофизического центра факультета физики и информационных технологий МПГУ
Пётр Иванович Самойленко, член-корреспондент Российской академии образования (РАО), доктор педагогических наук, профессор кафедры физики Московского государственного университета технологий и управления им. К. Г. Разумовского




      Ильин, Вадим Алексеевич.
И46      История радиофизики. Модульный курс для магистров : Учебное
      пособие / В. А. Ильин, В. В. Кудрявцев. - Москва : МИГ’У, 2017. -320 с. : ил.
      ISBN 978-5-4263-0482-6
          Модульный курс знакомит студентов с основополагающими вехами развития радиофизики как науки. В нем рассказано как об истории становления и современных достижениях радиотехники, радиоспектроскопии, твердотельной и квантовой электроники, лазерной спектроскопии, физики и техники терагерцового излучения, радиоастрономии, так и о научной деятельности ряда выдающихся ученых-радиофизиков. Исследование истории радиофизики проводится в контексте самой престижной научной награды - Нобелевской премии. Кроме того, представлен достаточно обширный материал, посвященный истории развития отечественной радиофизики.
          Модульный курс предназначен для обучения магистров по направлениям подготовки 511500 Радиофизика и 011200 Физика. Его можно использовать также и для обучения по направлению 050100 Педагогическое образование (квалификация «магистр») при подготовке будущих учителей к осуществлению исторического подхода к преподаванию физики в школе. Издание может быть также рекомендовано всем интересующимся вопросами истории и методологии науки.
УДК 53 (075.8)
ББК 22.3гя73
ISBN 978-5-4263-0482-6                              © МПГУ, 2017
© Ильин В. А.,
Кудрявцев В. В., текст, 2017

                СОДЕРЖАНИЕ





Введение ............................................................5
Модуль № 1. История радиофизики - важнейшее направление истории науки .......................................................7
    1.1. Предмет, методы и аспекты радиофизики ......................7
    1.2. Периодизация исторических этапов развития радиофизики .....12
    1.3. Нобелевские премии в области радиофизики ..................14
Модуль № 2. Исторический обзор развития радиотехники и вакуумной электроники ............................................25
    2.1. Беспроволочная телеграфия .................................25
    2.2. Радиотехника незатухающих колебаний .......................37
    2.3. Вакуумная (ламповая) электроника...........................42
Модуль № 3. Исторический обзор развития радиоспектроскопии . . .53
    3.1. Резонансные методы исследований ...........................53
    3.2. Микроволновая спектроскопия ...............................71
Модуль № 4. Исторический обзор развития твердотельной и квантовой электроники ............................................83
    4.1. Изобретение мазера и лазера ...............................84
    4.2. Изобретение транзистора ...................................91
    4.3. Создание интегральной схемы и рождение микроэлектроники ...96
    4.4. Гетероструктурные полупроводники и приборы на их основе . 102
    4.5. Гетеросистемы пониженной размерности .....................113
    4.6. Современные направления квантовой электроники ............117
Модуль № 5. Исторический обзор развития лазерной спектроскопии ...................................146
    5.1. Лазерное охлаждение атомов ...............................149
    5.2. Прецизионная лазерная спектроскопия ......................157
Модуль 6. Исторический обзор развития физики и техники терагерцового излучения ...........................................166
    6.1. Источники терагерцового излучения ........................166
    6.2. Приемники терагерцового излучения ........................170
    6.3. Области применения устройств, использующих терагерцовое излучение ...........................174

3

Модуль № 7. Исторический обзор развития радиоастрономии ......180
    7.1. Открытие космического радиоизлучения. Создание первого радиотелескопа .........................................181
    7.2. Разработка метода апертурного синтеза. РСДБ .........186
    7.3. Современные радиотелескопы и РСДБ .................194
    7.4. Открытие реликтового излучения и его анизотропии ....199
    7.5. Обнаружение квазаров, пульсаров и двойных пульсаров .213
    7.6. Радиоастрономия и проблема SETI .....................224
Модуль № 8. Исторический обзор развития отечественной радиофизики ....................................233
    8.1. Первые отечественные радиофизические центры .........233
    8.2. Научные школы в области теории нелинейных колебаний .244
    8.3. Научные школы в области радиолокации ................258
    8.4. Научные школы в области радиоастрономии .............268
    8.5. Эволюция радиофизической школы МПГУ .................283
Заключение....................................................294
Приложения ...................................................296
    1. Методические рекомендации к изучению модульного курса .296
    2. Список рекомендуемой литературы .......................301
    3. Задания для самостоятельной работы ....................315

                Введение





   Традиционно под радиофизикой понимают раздел физики, в котором изучают физические основы радиотехники и электротехники, в том числе физические процессы, связанные с электромагнитными колебаниями в радиодиапазоне. Однако в настоящее время радиофизика пронизывает практически все сферы человеческой деятельности. Ее методы широко используются в астрономии (изучение космических объектов путем анализа приходящего от них радиоизлучения), в планетологии (радиолокация планет и их спутников), в спектроскопии атомов и атомных ядер (использование резонансных методов исследования, методов лазерной спектроскопии и др.), в физике низких температур (лазерное охлаждение микрочастиц и бозе-эйнштейнов-ская конденсация атомов), в химии и медицине (ЯМР-спектроскопия, ЯМР-томография), в дистанционном мониторинге Земли и Мирового океана и т. д.
   В силу стремительной дифференциации радиофизической науки и активной экспансии ее методов в другие области науки и техники сегодня принята более общая трактовка этой дисциплины. Академик РАН А. В. Гапонов-Грехов характеризует предмет современной радиофизики следующим образом. «Это - наука о колебаниях и волнах разной физической природы. Она включает в себя возбуждение колебаний и волн в неравновесных средах и системах, их излучение и распространение, взаимодействие со средой, регистрацию и обработку колебательных и волновых сигналов. Радиофизика исследует колебания и волны разной физической природы: электромагнитные, звуковые, сейсмические, гравитационные и т. д.».
   В связи с этим в книге будет представлен обзор важнейших достижений не только в области магистральных направлений радиофизических исследований (радиотехники, радиоспектроскопии, твердотельной и квантовой электроники, радиоастрономии), но также в физике и технике терагерцового излучения, в лазерной спектроскопии. Такой подход позволяет более глубоко проанализировать связи между различными физическими явлениями и процессами, выявить в них радиофизическую составляющую, продемонстрировать широкий спектр применений этой науки, исследовать эволюцию основополагающих радиофизических идей, устройств, методов.

5

В. А. ИЛЬИН, В. В. КУДРЯВЦЕВ. ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ

   Кроме того, при изложении материалов курса широко используется историко-физический подход, способствующий лучшему пониманию процессов возникновения и развития радиофизических идей и методов, не прибегая при этом к сложному математическому аппарату.
   Для освоения содержания курса предусмотрены задания для самостоятельной работы, выполнение которых позволит студентам закреплять и обобщать полученные знания, подготавливать творческие работы (рефераты или компьютерные презентации) к семинарским занятиям по истории физики или к зачетам. Подобная деятельность способствует формированию у студентов ряда общекультурных и профессиональных компетенций.
   Модульный курс может быть использован при чтении курса «История и методология физики», спецкурсов «Современная физика и астрофизика», «Нобелевские премии по физике» и др. Кроме того, он может читаться параллельно с изучением стандартного (теоретического) курса радиофизики и тем самым его удачно дополнять. Благодаря этому у студентов появляется возможность расширить свои знания в области истории этой науки, раскрыть межпредметные связи и методологические аспекты радиофизики.
   Представленный в модульном курсе материал можно также изучать (в зависимости от учебных целей) в школе (в классах с углубленным изучением физики), применять в проектной деятельности, при подготовке тематических конференций.

                Модуль № 1. История радиофизики - важнейшее направление истории науки




            1.1. Предмет, методы и аспекты радиофизики


   Стремительный взлет физической науки и инженерной мысли в конце XX - начале XXI в., их усиливающаяся интеграция свидетельствуют об успешной эволюции постнеклассической физики и ее магистральных направлений исследований. Одним из ярких тому примеров является развитие радиофизики - научной дисциплины, открытия и достижения которой (например, создание транзистора и интегральных схем, изобретение лазеров и др.) способствовали формированию и развитию постиндустриального (информационного) общества, расширению возможностей научного познания природы.
   Радиофизика - раздел физики, предполагающий изучение и использование электромагнитных колебаний в интервале частот 10⁴-10¹¹ Гц (радиодиапазон): их возбуждение, распространение, прием и преобразование частот, а также возникающие при этом взаимодействия электрических и магнитных полей с зарядами в вакууме и в веществе.
   Со временем радиофизические методы проникли и в другие диапазоны: от очень низких частот до Y—излучения, а также в область исследований волновых процессов неэлектромагнитной природы (например, в акустику). При этом наблюдается активное взаимопроникновение радиофизических представлений в другие области знания, и наоборот.
   Радиофизика как наука сформировалась в 1930-1940-е гг. благодаря бурному развитию радиотехники, радиосвязи, радио- и телевещания и др. На первом этапе развитие радиофизики опиралось на классическую электродинамику, общую теорию колебаний и волн, электронику. Кратко охарактеризуем эти научные направления.
   • Классическая электродинамика, в основе которой лежит электромагнитная теория Максвелла, обеспечила понимание процессов излучения, распространения и приема радиоволн. До сих пор уравнения Максвелла остаются краеугольным камнем теории радиотехнических устройств и систем.


7

В. А. ИЛЬИН, В. В. КУДРЯВЦЕВ. ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ

   •  Теория колебаний создала математический аппарат, позволяющий исследовать процессы в колебательных системах и управлять ими. Важную роль сыграли исследования нелинейных колебаний (и особенно автоколебаний), лежащие в основе работы генераторов электромагнитных колебаний радиодиапазона. Благодаря исследованиям нелинейных колебаний, проведенных школой Мандельштама, наша страна стала общепризнанным центром исследований в этой области, а советская радиотехника, использующая достижения радиофизики, добилась огромных успехов. Дальнейшее развитие радиофизики показало, что эти исследования имеют фундаментальный характер, так как современную радиофизику невозможно представить без нелинейных устройств.
   •  Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации. Электроника зародилась в начале XX в. после создания основ электродинамики, исследования свойств термоэлектронной эмиссии, фотоэлектронной эмиссии, рентгеновских лучей, открытия электрона, создания классической электронной теории. В настоящее время электроника включает в себя три области научных исследований: вакуумную электронику, твердотельную электронику и квантовую электронику. Каждая область подразделяется, в свою очередь, на ряд разделов и направлений.
   Итак, радиофизика, по меткому выражению В. И. Гапонова, «держится на трех китах: теории колебаний, электродинамике и электронике».
   Особое место в обсуждении предмета и методов радиофизики занимает радиотехника, которая представляет собой один из наиболее ярких примеров технической дисциплины, сохранившей тесный контакт с физикой. Это объясняется прежде всего тем, что по своей сущности радиотехника имеет дело непосредственно с электродинамикой (вопросы излучения и распространения электромагнитных волн), с электроникой, электронной оптикой (электронные лампы, электронно-лучевые приборы) и с молекулярной физикой (газонаполненные

8

МОДУЛЬ № 1. ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ - ВАЖНЕЙШЕЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИСТОРИИ НАУКИ

приборы, вопросы ионизации верхних слоев атмосферы). Однако в ряде важных случаев радиотехнике, так же как и другим отраслям техники, приходится покидать давно привычную почву линейных колебаний и заниматься нелинейными задачами. Эти и подобные им обстоятельства привели к выделению из физики научной дисциплины, называемой радиофизикой, которая выступает своеобразным соединительным звеном между физикой и радиотехникой.
   Таким образом развитие радиотехники предопределило зарождение и развитие радиофизики. Однако весь тот комплекс вопросов, который дал основание выделять радиофизику как самостоятельную науку, был разработан значительно позже.
   По мере развития радиофизики ее методы (например, радиотехнические методы, радиолокационный метод, резонансные методы исследования вещества, радиоинтерференционный метод, томографический метод др.) стали проникать в другие области физики. Возник процесс обратного взаимодействия. Новые задачи, а также освоение диапазонов высоких частот привлекли в радиофизику идеи и методы из других областей физики, в частности из оптики, что привело к появлению нового раздела радиофизики - квазиоптики (квазиоптические линии передачи, открытые резонаторы и др.). В свою очередь, радиофизические методы, развитые, например, для сантиметрового диапазона длин волн, проникнув в оптику, заметно расширили возможности последней, вызвав к жизни такие разделы, как волоконная оптика, голография, интегральная оптика и др., так что и оптический диапазон частот стал областью приложения методов радиофизики. Иногда это поясняют термином «радиооптика».
   В результате взаимных «обогащений» с другими областями физики, с одной стороны, и обособления отдельных разделов - с другой, внутри радиофизики образовалось, кроме квазиоптики, несколько других важных «дочерних» направлений исследований: статистическая радиофизика, квантовая радиофизика (квантовая электроника), радиоспектроскопия, радиоастрономия, микроэлектроника и др. Из приведенного перечня весьма затруднительно определить собственно предмет радиофизики. Поэтому целесообразно выделить направления, позволяющие уточнить предмет радиофизики на каждом этапе ее развития. Предполагается, что радиофизика охватывает в основном два таких направления (по мнению С. М. Рытова).

9

В. А. ИЛЬИН, В. В. КУДРЯВЦЕВ. ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ

   1. Изучение физических явлений, существенных для радиофизики, т. е. для всех основных этапов радиосвязи, - генерация электромагнитных сигналов, излучение и распространение электромагнитных волн, прием радиосигналов. Это направление можно назвать физикой для радио.
   2. Применение радиофизических методов в различных областях физики, астрономии, химии и др. Это направление может быть охарактеризовано как радио для физики.
   Таким образом, развитие радиофизики сопровождается открытием новых явлений, находящих практическое применение и составляющих о снову ее новых разделов. При этом некоторые разделы радиофизики выделяются в само стоятельные области физики (радиоастрономия, радиоспектроскопия и др.), где методы радиофизики служат лишь средством изучения явлений, лежащих за пределами радиофизики.
   В настоящее время принято следующее определение предмета этой науки (формулировка академика РАН, основателя и первого директора Института прикладной физики А. В. Гапонова-Грехова). «Радиофизика - наука о колебаниях и волнах разной физической природы. Она включает в себя возбуждение колебаний и волн в неравновесных средах и системах, их излучение и распространение, взаимодействие со средой, регистрацию и обработку колебательных и волновых сигналов. Радиофизика исследует колебания и волны разной физической природы: электромагнитные, звуковые, сейсмические, гравитационные и т. д. Она включает в себя возбуждение колебаний и волн в неравновесных средах и системах, их излучение и распространение, взаимодействие со средой, регистрацию и обработку колебательных и волновых сигналов».
   Будучи одним из краеугольных камней современной науки, радиофизика обладает научным, техническим и гуманитарным аспектами. Рассмотрим их подробнее.
   Научный аспект радиофизики. Радиофизика - важнейший источник знаний об окружающем мире. Благодаря появлению таких радиофизических направлений исследований, как радиоспектроскопия, статистическая радиофизика, квантовая радиофизика (квантовая электроника), микроэлектроника, радиоастрономия и др., был осуществлен стремительный прорыв во многих областях современной науки.

10

МОДУЛЬ № 1. ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ - ВАЖНЕЙШЕЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИСТОРИИ НАУКИ

Приведем лишь один пример. В последние десятилетия резонансные методы (область радиоспектроскопии) получили широкое распространение при исследовании вещества в разных агрегатных состояниях. Их можно отнести к наиболее чувствительным и точным методам исследования, которые активно используются в физике, химии, биологии и медицине. Каждое вещество имеет характерный только для него набор частот собственных колебаний (от 102 до 1022 Гц). Этот набор частот - своеобразная «визитная карточка» вещества, изучая которую можно распознать химический состав, структуру, симметрию и другие его характеристики.
   Технический аспект радиофизики. Расширяя и многократно умножая возможности человека, радиофизика обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. Радиофизические методы широко используются в астрономии (изучение космического пространства и планет с помощью методов радиоастрономии), в спектроскопии атомов и атомных ядер (использование резонансных методов исследования, методов лазерной спектроскопии и др.), в метеорологии (изучения метеоритов, контроль за облачными и грозовыми фронтами и осадками), в геологии (поиск минеральных месторождений, определение состава земных пород и их структуры радиолокационными методами), в медицине (биорезонансная терапия, ЯМР-томография), в современных средствах связи и т. д.
   Гуманитарный аспект радиофизики. Изучение процесса развития радиофизики и определение главных его закономерностей позволяют проследить эволюцию основополагающих радиофизических идей и выделить перспективные области развития радиофизики. Отметим, что приобщение к истории радиофизики означает не уход от актуальных проблем современности, а более глубокую ориентацию в них благодаря пониманию истоков и перспектив научно-технического прогресса.
   Таким образом, в радиофизике в наибольшей степени представлены научный, технический и гуманитарный аспекты. Это предопределило ту исключительно важную роль, какую она играет в современном мире.

11

В. А. ИЛЬИН, В. В. КУДРЯВЦЕВ. ИСТОРИЯ РАДИОФИЗИКИ



            1.2. Периодизация исторических этапов развития радиофизики


   Изучение радиофизики сквозь призму истории позволяет выявить значимость этой науки для развития научно-технического прогресса в XXI в., а также проследить эволюцию основополагающих радиофизических идей и теорий. Прежде всего, определим предмет истории радиофизики и установим ее хронологические рамки.
   Предметом истории радиофизики является история зарождения, становления и развития радиофизики как научной дисциплины, которая вносит весомый вклад в формирование общечеловеческой культуры и современной фундаментальной науки.
   Несомненно, предмет истории радиофизики - широкое понятие. Можно выделить, как минимум, три важнейших аспекта, его составляющих. Во-первых, это физический аспект. Для изучения истории радиофизики необходимо иметь естественнонаучное или техническое образование и обладать определенным запасом знаний по радиофизике. Во-вторых, это исторический аспект, предполагающий использование методов и принципов истории физики при изучении истории развития магистральных направлений радиофизики, научных биографий творцов радиофизики и т. д. Наконец, необходимо учитывать социокультурный аспект истории радиофизики, т. е. рассмотреть вклад радиофизики в развитие цивилизации, в частности Нобелевские премии за радиофизические открытия, многогранные связи радиофизики с другими областями знания, социальные последствия применения радиофизических идей (например, мобильной и спутниковой связи в телекоммуникационных системах) и др.
   Целью истории радиофизики, как и любой исторической науки, является накопление и систематизация научных фактов в контексте определенных социокультурных явлений. К этой цели необходимо добавить исследование закономерностей, следуя которым развивается радиофизическая наука, что позволит спрогнозировать пути ее дальнейшей эволюции.
   Одной из важных проблем в истории науки является ее периодизация, которая позволяет понять эволюцию основополагающих научных идей и методов, тенденции развития, движущие факторы, поворотные моменты, практические применения и социальные последствия. В развитии радиофизики можно выделить несколько этапов.

12