Клиффорд Гленвуд Шалл

Краткая биография

Жизнь и работа

Как определить расположение атомов внутри вещества, если увидеть их непосредственно невозможно? К середине XX века учёные уже использовали рентгеновскую дифракцию для изучения кристаллов. Однако у этого метода были ограничения: некоторые лёгкие атомы было трудно обнаружить, а исследовать магнитное упорядочение материала обычными рентгеновскими методами было ещё сложнее. Клиффорд Шалл помог разработать другой способ изучения вещества — с помощью нейтронов.

Клиффорд Гленвуд Шалл родился 23 сентября 1915 года в Питтсбурге, штат Пенсильвания. Сначала он собирался стать авиационным инженером, но во время учёбы в Технологическом институте Карнеги увлёкся физикой. В 1937 году он получил степень бакалавра, а в 1941 году защитил докторскую диссертацию по ядерной физике в Нью-Йоркском университете. Во время Второй мировой войны Шалл работал в исследовательской лаборатории компании Texas Company, где изучал катализаторы, применявшиеся при производстве высокооктанового авиационного топлива. Там он приобрёл опыт рентгеновской дифракции, который позднее пригодился ему при работе с нейтронами.

В 1946 году Шалл присоединился к Эрнесту Воллану в лаборатории Ок-Ридж. Развитие ядерных реакторов сделало доступными интенсивные потоки нейтронов, которые можно было использовать не только для исследований атомных ядер, но и для изучения структуры материалов. Воллан уже начал эксперименты с нейтронной дифракцией и собрал первоначальную установку. Вместе исследователи совершенствовали оборудование и разрабатывали способы получения и интерпретации дифракционных картин.

В основе метода лежит волновая природа нейтронов. Когда пучок проходит через кристалл, нейтроны рассеиваются на атомах и создают характерную дифракционную картину. По ней можно восстановить расположение атомов в материале. В отличие от рентгеновского излучения, взаимодействующего преимущественно с электронами, нейтроны рассеиваются непосредственно атомными ядрами. Причём интенсивность такого рассеяния не связана простым образом с порядковым номером элемента. Поэтому нейтронная дифракция позволяет различать некоторые атомы и изотопы, которые трудно исследовать другими методами.

Особенно важной оказалась возможность изучать водород. Он присутствует в воде, органических соединениях, полимерах и практически всех биологических молекулах, но его единственный электрон создаёт слабый рентгеновский сигнал. Шалл и Воллан исследовали рассеяние нейтронов обычным водородом и его тяжёлым изотопом — дейтерием. Различия между ними открыли возможность использовать изотопное замещение для определения положения отдельных атомов и выделения нужных частей сложных молекулярных структур. В 1948 году исследователи опубликовали одну из основополагающих работ, продемонстрировавших применение нейтронной дифракции к кристаллическим порошкам.

Другим крупным направлением стало изучение магнитных материалов. Нейтрон обладает собственным магнитным моментом и взаимодействует с магнитными моментами электронов в веществе. Благодаря этому нейтронная дифракция позволяет определить не только положение атомов, но и взаимное расположение их магнитных моментов. Исследования Шалла, Воллана и их коллег дали прямые экспериментальные доказательства антиферромагнитного упорядочения в оксиде марганца и помогли проверить теоретические модели магнетизма. Этот подход открыл новые возможности для исследования магнитных свойств твёрдых тел.

В 1955 году Шалл стал профессором Массачусетского технологического института. Он продолжил совершенствовать нейтронные методы, исследовать магнитные структуры и взаимодействие нейтронов с совершенными кристаллами. В 1994 году ему присудили половину Нобелевской премии по физике за развитие метода нейтронной дифракции. Вторую половину получил Бертрам Брокхаус, создавший методы нейтронной спектроскопии для исследования движения атомов. Разработанные ими подходы дополняют друг друга: одни позволяют выяснить, как устроено вещество, другие — как движутся составляющие его частицы. Методы нейтронного рассеяния получили широкое применение в материаловедении, физике магнитных систем, химии и структурной биологии.