Открытие ЭПР

В 1941г, после ознакомления с работами голландского физика К.Я.Гортера по парамагнитной релаксации и его попытками определения магнитных моментов атомных ядер, Е.К.Завойский решил повторить эти работы, но использовать не "калориметрический" метод Гортера, а свой более чувствительный метод "сеточного" тока.

Но ему не удалось закончить свои эксперименты. Евгений Константинович был вынужден переключится на оборонную тематику - разработка массового излучателя ультрагерцевых волн в лаборатории Аркадьева.

В конце 1943г он снова возвращается к работе по определению магнитных моментов атомных ядер, применяя более чувствительную аппаратуру и метод модуляции магнитного поля, а с 25 ноября, судя по документам, начинает экспериментальную работу над второй докторской диссертацией. Закончился период его вынужденного "творческого простоя":

"С 1942г до конца 1943г я участвую в практической работе по радиолокации по заданию Комитета обороны и состою в подразделении ополчения. Читаю лекции на физмате КГУ, а летом вместе со студентами уезжаю в подсобное хозяйство университета на полевые работы" (из воспоминаний ученого).

Как следует из документов, 21 января 1944г Евгений Константинович Завойский впервые наблюдал на осциллографе сигнал ЭПР. Сохранились целлулоидные пленки, на которых Е.К.Завойский в 1944г впервые зафиксировал сигналы ЭПР с экрана осциллографа. Разработанная Е.К.Завойским установка состояла из сварочного трансформатора, катушки-соленоида, амперметра, автодинного генератора, профилометра Аббота, осциллографа.

В катушке соленоида, имевшей 6 витков диаметром 12 см, создавалось переменное магнитное поле низкой частоты (50 гц). Эта катушка, питалась от вторичной обмотки трансформатора (сварочного). Обмотка трансформатора подключалась к сети переменного тока через реостат, который позволял регулировать величину тока. Величина магнитного поля, создаваемого соленоидом, измерялась по величине переменного тока, для чего последовательно с соленоидом включался амперметр "Гартмана-Брауна" на 200А. Коэффициент пропорциональности между магнитным полем и током определялся экспериментально. В магнитное поле соленоида помещалась радиочастотная катушка генератора высокой частоты (10 Мгц, длина волны 30 м), собранного на лампе Р-5 по схеме, аналогичной схеме Эзау. В катушку помещался исследуемый парамагнетик, запаянный в герметичную целлулоидную ампулу.

Магнитные моменты спинов неспаренных электронов ионов парамагнетика, помещенного в низкочастотное магнитное поле H соленоида, процессируют (вращаются) вокруг направления магнитного поля с частотой v, пропорциональной величине поля: v [МГц]=2,8 Н [Э].
Если одновременно с этим парамагнетик поместить в переменное магнитное поле радиочастотного генератора, ориентированного перпендикулярно полю соленоида, то парамагнетик может поглощать высокочастотную энергию, поступающую в катушку от генератора, но только в том случае, если частота генератора совпадает с частотой прецессии измеряемых магнитных моментов электронов. Это явление и называется электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).

Зафиксировать сигнал ЭПР можно по изменению амплитуды колебаний генератора в момент, когда переменное поле соленоида проходит через резонансное значение, или же по изменению тока сетки лампы генератора. Для этого использовался усилитель низкой частоты, входящий в состав американского профилометра Аббота.
Сигнал с выхода усилителя регистрировался либо с помощью теплового миллиамперметра Вестона, либо на экране осциллографа.

Весной 1944г Евгений Константинович пишет докторскую диссертацию "Парамагнитная абсорбция в перпендикулярных и параллельных полях для солей, растворов и металлов" и в конце июня направляет ее в Москву.

В дополнении "Магнитные радиочастотные спектры парамагнетиков" к докторской диссертации, написанном в октябре, описаны эксперименты проведенные ученым на более высоких частотах (194см, 65см и 32см). Необходимо отметить, что первые эксперименты по обнаружению ЭПР проводились на низких частотах (приблизительно 20-60 метров).

Яков Ильич Френкель, которому принадлежит первая попытка создания феноменологической теории электронного спинового резонанса, пишет:

"Доцент Казанского Гос. Университета Евгений Константинович Завойский по своей научной квалификации давно уже перерос степень кандидата физико-математических наук, а по своему педагогическому опыту - скромное звание доцента. Он является талантливым физиком, с очень большой эрудицией в различных областях экспериментальной и технической физики (особенно в радиофизике и теории колебаний), и точным экспериментатором, способным разрешать, подчас при наличии очень ограниченных средств, чрезвычайно сложные экспериментальные проблемы. О незаурядном экспериментальном искусстве Е.К.Завойского красноречиво свидетельствует его докторская диссертация, в которой описывается разработанный им метод измерения магнитных потерь путем реакции на генератор высокочастотных колебаний - метод, в сотни раз более чувствительный, чем те, которые применялись ранее, и который позволил автору получить новые чрезвычайно интересные экспериментальные результаты, касающиеся магнитных свойств атомов, ионов и электронов в парамагнитных телах. Е.К.Завойский является совершенно зрелым ученым, с большой творческой инициативой, способным не только задумать и разрешить самые сложные вопросы из любой области экспериментальной физики, но и руководить научно-исследовательской работой более молодых специалистов, а также руководить учебным процессом в качестве заведующего кафедрой экспериментальной физики или радиофизики".

В конце декабря 1944г Завойский получил приглашение Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при Отделении физико-математических наук АН СССР принять участие в работах Сессии по вопросам колебаний сверхвысоких частот. Сессия проходила в Москве, в конференц-зале ФИАНа.
По имеющимся документам можно заключить, что сообщение Евгения Константиновича не было понято и принято учеными, присутствующими на семинаре.

В институте физических проблем (ИФП) АН СССР 27 декабря 1944г состоялся семинар со следующей повесткой дня:

1. О нелинейных явлениях, вызванных взаимодействием… (Г.Горелик).
2. Парамагнитная релаксация (Е.К.Завойский).

В работе семинара принимали участие такие известные физики, как академики П.Л.Капица, Н.Н.Семенов, А.Ф.Иоффе, член-корреспондент Л.Д.Ландау, профессора и будущие академики Е.М.Лифшиц, А.И.Шальников, А.Б.Мигдал, Г.Н.Флеров, Э.Л.Андроникашвили.

Сам П.Л.Капица писал:

"Когда Е.К.Завойский открыл в 1944г парамагнитный резонанс, то, приехав из Казани в Москву, он пришел в ФИАН. Его прогнали оттуда, сказав, что этого не может быть. Тогда я предложил ему у нас сделать прибор. За неделю сделали. Потом позвали фиановцев и показали: смотрите, вот ведь, штучка работает".

Перед защитой, в январе 1945г, Евгений Константинович исследовал в институте физических проблем (институт П.Л.Капицы) эффект парамагнитного поглощения при низких температурах при частоте 133 МГц. Было экспериментально установлено проявление антиферромагнетизма в резонансных явлениях. Именно удачные московские эксперименты, позволившие получить вполне разрешенные линии ЭПР, первыми попали в 1945г в печать.

Защита диссертации состоялась 30 января 1945г в Физическом институте АН СССР. В дальнейшем ученому была присуждена ученая степень доктора физико-математических наук, а затем присвоено ученое звание профессора.

Четверть века спустя, 23 июня 1970г, Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР внес в государственный реестр СССР открытие Е.К.Завойского "Явление электронного парамагнитного резонанса" (с приоритетом от 12 июля 1944г). Эта дата и считается официальной датой открытия ЭПР.