Как ядерщик-бомбист не стал нобелевским лауреатом

Однако открытый Завойским с коллегами электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) прославил автора на весь мир. И если случился в судьбе Завойского резонанс, позволивший ему достигнуть высочайших научных амплитуд, – то, видимо, был и резонатор. И резонатор этот – Нижегородская радиолаборатория (НРЛ). Еще в начальном училище в Казани Евгений Завойский увлекся радиолюбительством. А когда семья, спасаясь от ужасов Гражданской войны, переезжает в 1919 году из Казани в провинциальный вятский городок Слободской, Евгений вступает в школьный радиокружок и становится внимательным читателем радиожурналов и брошюр, издававшихся радиолабораторией. 

Надо сказать, что расположенная на высоком берегу Волги Нижегородская радиолаборатория в то время была настоящим маяком для российских радиолюбителей. Ее сотрудники активно пропагандируют радио, публикуют радиосхемы передатчиков и приемников, а также советы начинающим радистам. Авторы заметок – директор радиолаборатории Бонч-Бруевич, ведущие радиоинженеры Шапошников, Лбов, Лебединский, Кугушев, Лосев. 

Нам не дано предугадать, чем наше слово отзовется. Это не только в поэзии – путеводная нить науки образует порой весьма прихотливые стежки. Вот и с Евгением Завойским было что-то подобное. 

В 1931 году по рекомендации бывшего директора НРЛ Бонч-Бруевича он направляется на стажировку в Ленинград, где работает под руководством бывшего сотрудника НРЛ Остроумова над совершенствованием приемной радиоаппаратуры. Увлекшись побочным эффектом – поглощением радиоволн в различных средах, – в одном из опытов (уже вернувшись в Казань) обнаруживает аномальное радиопоглощение в парамагнетиках. 

Суть явления в том, что воздействие СВЧ-радиоизлучения на неспаренные электроны на верхних орбитах атомов (а наличием таких электронов и замечательны парамагнетики) изменяет их спин. Этот фазовый переход и приводит к аномальному поглощению радиоволн. На квантовом языке это еще короче: разница энергий двух уровней с разным спином, деленная на постоянную Планка, то есть частота, равна частоте радиовоздействия на образец, – вот и весь резонанс. 

Сейчас нам особенно интересны применения ЭПР в биологии, ведь к парамагнетикам относятся, в частности, свободные радикалы, которые активно участвуют в самых разнообразных биологических процессах – от окисления до фотосинтеза. Особенностью поведения свободных радикалов является то, что их спектр ЭПР может зависеть от ориентации молекулы в пространстве относительно приложенного магнитного поля. Причем если свободные радикалы ничем не стеснены, тепловые флуктуации приводят к их вращению, ориентируют радикалы случайным образом. При этом наблюдается один вид спектра. Если же вращение затруднено – спектр уже другой.

Схема из дневника Евгения Завойского.  Фото из архива Казанского государственного университета

Таким образом удается определять наличие в клетке каналов, через которые осуществляется внутриклеточный обмен веществ. Более того, возможно размещение на свободном радикале химических фрагментов, способных прикрепляться к определенным участкам клетки по принципу «ключ–замок». При этом радикал через ЭПР информирует о своем местонахождении в клетке, а значит, и о клеточной структуре.
Такое применение ЭПР называется методом спиновых меток. Этот метод – самый эффективный, а порой просто единственный при изучении химических реакций в биологических тканях. Современные спектрометры ЭПР позволяют изучать субклеточные структуры, клетки, отдельные органы животных и растений и даже целые организмы – например, живую мышь, помещенную в специальный резонатор. 

Не менее чем в биологии применение ЭПР продуктивно в магнитооптике при конструировании и отборе новых материалов. К примеру, в Нижегородском институте металлоорганической химии РАН с помощью метода ЭПР были обнаружены и изучены гнущиеся кристаллы. Эти кристаллы на основе свободных радикалов соединений кобальта реагируют на свет, изменяя свою форму. Под атомно-силовым микроскопом хорошо видно, что кристалл состоит из вытянутых наноразмерных зерен. 

Изучение спектра ЭПР показало, что вещество в этих зернах может находиться в двух фазах, которые отличаются с химической точки зрения числом неспаренных электронов, а с физической – объемом молекулы. При рождении кристалла зёрна с избытком той или иной фазы могут располагаться неравномерно по толщине. При освещении кристалла светом зерна реагируют на это по-разному, и весь кристалл изгибается. Эффект гнущихся кристаллов может быть использован при создании новых магнитооптических материалов, в том числе для миниатюрных ячеек памяти будущих спиновых компьютеров. И здесь, так же как в биологии, открываются огромные перспективы для использования электронного парамагнитного резонанса. 

Но все это было сделано последователями Завойского. А сам он в 1947 году был привлечен Курчатовым для участия в создании атомной бомбы. И тут совсем другого рода резонанс – резонанс эмоции и сочувствия – пришлось пережить нашему герою. Вот фрагмент из его воспоминаний: «Самолет садится, пересекая много рядов колючей проволоки, открывается дверь, и я иду по полю под дулами двух винтовок – до выяснения личности... Наконец все выясняется, и меня везут в гостиницу. Но что это? Куда ни взглянешь, везде люди в оборванных, почти черных ватниках, с желтыми лицами дистрофиков: это армия «строителей», попавших сюда не по своей воле... Вопрос к себе: как же живут здесь люди?» 

Как бы ни ответил на «вопрос к себе» Завойский, сам факт постановки такого рода вопросов вызывает симпатию к автору мемуаров. 

Наконец бомба сделана, Завойский с увлечением занялся управляемым ядерным синтезом, где предложил метод турбулентного нагрева плазмы с помощью релятивистских пучков. Метод был основан на аномально высоком сопротивлении плазмы при больших плотностях тока. Этот эффект был открыт им же и Файбергом. 

Вроде как очередной резонанс – или лучше сказать, частный случай резонанса Завойского. Который в самом общем виде состоит в том, что увлеченность Евгения Константиновича Завойского радио, его виртуозность как экспериментатора и широчайший научный кругозор совпали с редким трудолюбием, вниманием к миру и людям в нем, с умением выбирать учителей и с талантом привлекать учеников и соратников.  

Нижний Новгород