Академик Евгений Константинович Завойский (1907-1976) — первооткрыватель электронного парамагнитного резонанса
"Комиссия вошла в лабораторию N5 без стука в момент, когда я наблюдал ядерно-магнитный резонанс, — сидел за установкой и с помощью реостата изменял силу тока в электромагните Дюбуа... Комиссия пересекла луч света от гальванометра до шкалы и остановилась, не обращая внимания на мои жесты; она стояла полминуты и затем прозвучала фраза: "Здесь все самодельное и не имеет никакой научной ценности". (Я, очевидно, подпадал тоже под это определение...) Я хотел было заговорить, но комиссия уже шла к двери. Все... Мне было сказано: "Если вы завтра не вытряхнете все из этой комнаты, то будут поставлены у двери часовые с приказом: не пускать вас сюда". Разрушать установку я не мог. Но угроза была приведена в исполнение, комната разгромлена, оборудование выброшено за дверь, а в комнате N5 более полутора лет раздавался хлеб для сотрудников эвакуированных из центра институтов." Так описывал обстановку в Казанском университете в начале войны выдающийся советский физик-экспериментатор Евгений Завойский. Но именно в военные годы Евгений Завойский сделал важнейшее открытие — обнаружил явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Элементарные частицы (протоны и электроны), атомные ядра и некоторые атомы имеют собственный момент количества движения (спин), магнитный диполь и могут, изменяя ориентацию диполя, на определенных (резонансных) частотах поглощать и излучать электромагнитную энергию — это стало понятно к середине 1930?х годов. Очевидно, нужно выбрать правильное соотношение напряженности магнитного поля и частоты перпендикулярного к постоянному переменного магнитного поля: для протонного резонанса, например, 1500 эрстед (по?нынешнему 0,15 Тесла) и где?то около 7 МГц.
Видны 5 групп линий тонкой структуры, соответствующих спину иона Mn2+ (спин S=2). Каждая группа состоит из 6 линий сверхтонкой структуры, обусловленной взаимодействием с ядерным спином 55Mn I=5/2. В концентрированном парамагнетике такие линии сливаются за счет спин-спиновых взаимодействий.
Возможен ли этот эффект в жидком и твердом веществе, где много спинов (диполей)? Евгений Завойский и его коллеги, теоретик Семен Альтшулер и физикохимик Борис Козырев, с 1940 года пытались обнаружить ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) в жидком и твердом веществе. До мая 1941 г. на результат не было надежд. Но тут какие?то сигналы (очевидно, ЯМР протонов) начали проявляться. Установка, на которой ученые работали, восстановлена в 1980?х гг. усилиями Игоря Силкина, хранителя музея-лаборатории Евгения Завойского, — и она позволяет спорадически наблюдать ЯМР.
Спектры ЭПР концентрированных парамагнетиков, полученные Завойским в Институте физических проблем (подлинный документ 1945 года)
Препятствием на пути к воспроизводимому наблюдению ЯМР была неоднородность (вариация) значений магнитного поля электромагнита. Требовался другой магнит — желательно от циклотрона. Но началась война, из Москвы в Казань прибыли эвакуированные учреждения, ушел на фронт теоретик Альтшулер, уволился Борис Козырев. В те трудные годы Завойскому не раз приходилось руководить кампаниями по заготовке дров и продовольствия для университета, помогать оборонным предприятиям Казани.
В 1943 г. Евгений Завойский утвердил у руководства университета новый план научно-исследовательских работ: изучение поглощения энергии радиоволн в параллельных и, главное, в перпендикулярных магнитных постоянном и переменном полях — и получил комнату на втором этаже старого физмата. Там теперь его музей.
Завойский намеревался изучить различные образцы, среди которых были парамагнитные кристаллические соли меди и марганца и их растворы в воде. Он заменил магнит индуктивными катушками — это сдвинуло диапазон поиска резонанса в сторону более низких полей. Как раз там и можно встретить ЭПР, который при той же частоте должен для свободного электрона наблюдаться в магнитном поле с напряженностью в 658,5 раз меньшей, чем ЯМР протонов.
Выбранные Завойским вещества содержали заметную концентрацию электронных спинов. На кривых, отображавших зависимость сеточного тока от магнитного поля при постоянной частоте облучения, наблюдались пики в предполагаемой для ЭПР области, а изменение частоты приводило к ожидаемому сдвигу сигнала. Завойский получил моральную поддержку от завкафедрой Якова Френкеля и в июле 1944 г. представил в Физический институт в Москве докторскую диссертацию: "Парамагнитная абсорбция в перпендикулярных и параллельных полях для солей, растворов и металлов".
Истолкование резонансных пиков поглощения в перпендикулярных полях как спинового резонанса вызвало недоверие экспертов из Физического института. Диссертация несколько месяцев не ставилась на защиту, и Евгений Завойский обратился в Институт физических проблем (ИФП). С одобрения Петра Капицы известный экспериментатор ИФП Александр Шальников вызвался помочь Завойскому. За две недели Завойский собрал две установки, на одной были воспроизведены его казанские эксперименты; на другой, в намного более сильном поле те же резонансные эффекты наблюдались еще отчетливее.
30 января 1945 г. Евгений Завойский защитил диссертацию, а в 1947 г. принял приглашение Игоря Курчатова включиться в работу над Атомным проектом.