БАСОВ НИКОЛАЙ ГЕННАДИЕВИЧ
(1922 г. – 2001 г.)
Знаменитый советский физик Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря 1922 года неподалеку от Воронежа в деревне Усмань (теперь город Усмань Липецкой области) в семье Геннадия Федоровича Басова и Зинаиды Андреевны Молчановой.
Отец будущего ученого состоял профессором Воронежского лесного института. Среди его известных исследований можно выделить анализ влияния лесопосадок на подземные воды и поверхностный дренаж.
После окончания средней школы в Воронеже в 1941 году Николай Басов был призван в Советскую армию. Во время Второй мировой войны он прошел медицинскую подготовку в Куйбышевской военно- медицинской академии. Окончив в 1943 году академию по специальности «ассистент военного доктора», он был прикомандирован к Первому Украинскому фронту. До окончания войны в 1945 году Басов находился в рядах армии в качестве врача-ассистента.
В декабре 1945 года Басов был демобилизован и в следующем году поступил в Московский механический институт (позже – Московский инженерно-физический институт, МИФИ). Особенно Николая Басова заинтересовала теоретическая и экспериментальная физика. Институт он окончил в 1950 году, после чего решил продолжить учебу и в этом же году поступил в аспирантуру того же института на кафедру теоретической физики. Научным руководителем Басова в аспирантуре был известный академик М. А. Леонтович.
Еще за два года до окончания института, в 1948 году, способному студенту предложили работу лаборанта (а позднее инженера) в лаборатории колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР в Москве (ФИАН). В ФИАНе будущий ученый проработал более пятидесяти лет, до самой смерти.
В это время группа молодых физиков этого института под руководством А. М. Прохорова начала цикл исследований по радиоспектроскопии – направлению, бурно развивавшемуся в те годы.
Принимая участие в этих работах, параллельно с 1950 по 1953 год Николай Басов продолжал обучение в аспирантуре и готовил кандидатскую диссертацию под руководством М. А. Леонтовича и А. М. Прохорова. В 1953 году Николай Басов успешно защитил свою кандидатскую диссертацию на тему «Определение ядерных моментов радиоспектроскопическим методом».
Совместные исследования Басова и Прохорова, проведенные в эти годы, заложили новое направление современной физики – квантовую электронику. Советские ученые разработали основные принципы усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами.
В 1900 году «отец» квантовой физики Макс Планк предположил, что осцилляторы излучают энергию лишь дискретными порциями – квантами. При этом энергия кванта пропорциональна частоте колебания, а каждый энергетический уровень равен частоте, умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.
В 1905 году Альберт Эйнштейн, использовав идеи Планка, предсказал двойственную природу света, объяснил фотоэлектрический эффект и ввел понятие фотона. В 1916 году гениальный физик Альберт Эйнштейн впервые представил принципы работы молекулярного генератора. По результатам исследований взаимодействия электромагнитного излучения и группы молекул в замкнутом пространстве Эйнштейну удалось вывести уравнение с тремя членами, характеризирующее испускание и поглощение излучения молекулами. Первым двум членам уравнения соответствовали процессы спонтанного излучения и поглощения излучения, а природу третьего члена, связанного с неизвестным тогда типом излучения, Эйнштейну объяснить не удалось.
В 20-е годы XX века благодаря работам Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера и Поля Дирака квантовая теория получила дальнейшее развитие. Оказалось, что множество энергетических уровней индивидуально для конкретного атома или молекулы. При поглощении фотонов, энергия которых состояла из разности энергий двух энергетических уровней, атом или молекула переходили на более высокий энергетический уровень. Спустя некоторое время они вновь возвращались на более низкий уровень, а в результате такого перехода выделялась энергия в виде фотона излучения. Третий член в уравнении Эйнштейна соответствовал этому переходу с высшего энергетического уровня на более низкий.
Излучение такого типа получило название индуцированного (стимулированного) излучения, поскольку оно было стимулировано некоторыми обстоятельствами. С помощью закона знаменитого австрийского физика Людвига Больцмана было установлено, что в состоянии равновесия на более высоких энергетических уровнях размещалось меньшее количество электронов, чем на более низких. Отсюда можно было сделать вывод, что в процессе индуцированного излучения участвует относительно мало атомов.
Проанализировав исследования Эйнштейна и других ученых, Басов придумал способ, который позволял использовать индуцированное излучение в качестве усилителя поступающего излучения. Советский ученый увеличил число возбужденных молекул относительно числа молекул, находящихся в основном состоянии, и таким образом получил состояние вещества с инверсной заселенностью энергетических уровней.
Чтобы достичь этого результата, Басов в своих опытах использовал неоднородные электрические и магнитные поля, с помощью которых выделял возбужденные молекулы. После этого ученый облучал вещество излучением специальной частоты, фотоны которого имели энергию, равную разности возбужденного и основного состояний молекулы. В результате таких действий возникало индуцированное излучение той же частоты, которое усиливало подающий сигнал.
Начатые Басовым в 1952 году теоретические работы в области квантовой радиофизики требовали экспериментальных доказательств. Вместе с Прохоровым советский физик сконструировал генератор, который работал не только как усилитель возбудимости молекул, но и генерировал излучение с частотой, которая точно определялась энергетическими уровнями молекул.
В мае этого же года Басов и Прохоров представили на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии первые полученные результаты теоретического анализа эффектов усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами и предложили конструкцию оптического квантового генератора (ОКГ), основанного на инверсной заселенности.
В своей первой статье на эту тему в октябре 1954 года советские физики предложили эффективный и универсальный метод создания состояний с инверсной населенностью (метод селективной накачки электромагнитным излучением трехуровневой системы). Согласно предложенной советскими физиками «трехуровневой схеме», при переводе атомов из основного состояния на наиболее высокий из трех энергетических уровней, на промежуточном уровне размещалось больше молекул, чем на нижнем. В результате этого явления можно было получить индуцированное излучение с частотой, которая соответствовала разности энергий между двумя более низкими уровнями.
За десять месяцев до публикации этой статьи Басова и Прохорова, еще в 1953 году американский физик Чарлз Таунс в лаборатории Колумбийского университета (США) создал работающий молекулярный осциллятор, который назвал мазером (по начальным буквам английского выражения «microwave amplification by stimulated emisson of radiation» – микроволновое усиление с помощью стимулированного излучения). В своих работах американский физик использовал резонансную полость, заполненную возбужденными молекулами аммиака. В результате этих экспериментов он достиг огромного усиления микроволн с частотой в 24 000 мегагерц.
В 1955 году Николай Геннадиевич Басов возглавил группу молодых талантливых ученых, которая проводила исследования частотных характеристик молекулярных осцилляторов. В 1956 году он защитил докторскую диссертацию на тему «Молекулярный осциллятор», в которой суммировал свои теоретические и экспериментальные исследования молекулярного генератора на основе пучков аммиака. За эту работу ему была присуждена степень доктора физико-математических наук.
За период с 1955 по 1956 год Басов и Прохоров создали принципиально новые малошумные квантовые усилители и генераторы радиочастотного диапазона (мазеры), первым из которых стал мазер на
