4.3 Физика
4.3.024 Излучение Вавилова — Черенкова
Физики, доктора физико-математических наук, профессора, академики АН СССР, руководители научных коллективов, лауреаты Сталинских (Государственных) премий, кавалеры высших наград страны, в т.ч. орденов Ленина и Трудового Красного Знамени — Сергей Иванович Вавилов (1891—1951) и Павел Алексеевич Черенков (1904—1990) являются авторами открытия «эффекта Вавилова — Черенкова» (1934), а Игорь Евгеньевич Тамм (1895—1971) и Илья Михайлович Франк (1908—1990) — авторами теории, описавшей данный эффект (1937).
За открытие и объяснение этого явления все четверо ученых были удостоены в 1946 г. Сталинской премии I степени, а в 1958 г. П.А. Черенков, И.Е. Тамм и И.М. Франк получили Нобелевскую премию по физике.
Эффект Вавилова — Черенкова был обнаружен случайно, хотя открытие оказалось закономерным развитием работ академика С.И. Вавилова по исследованию свечения и природы света, в частности, люминесценции, ставшей темой кандидатской диссертации аспиранта Вавилова — П.А. Черенкова.
Занимаясь исследованиями люминесценции растворов ураниловых солей при облучении их гамма-квантами от радиоактивного радиевого источника, аспирант обратил внимание на голубоватое свечение стеклянного стаканчика с серной кислотой. Заменив кислоту другими прозрачными жидкостями, ученый столкнулся с необъяснимым эффектом — самые разные жидкости светились с равной интенсивностью, что указывало на что угодно, только не на люминесценцию.
Это непрошеное свечение весьма отвлекало аспиранта от главного предмета его исследований. Черенков удалял примеси — скрытые источники флуоресценции, уменьшал яркость флуоресценции нагреванием и добавлением йодистого калия, нитрата серебра, но голубое свечение оставалось неизменным. К тому же физик обнаружил, что свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей, как должно было быть при флуоресценции.
Аспирант продемонстрировал обнаруженный им эффект своему руководителю. Вавилов — крупнейший в мире специалист по люминесценции заинтересовался этим явлением. Было известно, что оно уже отмечалось другими физиками, в частности, Марией и Пьером Кюри, посчитавшим свечение проявлением люминесценции.
Убедившись, что яркость свечения действительно практически не зависит от химического состава жидкости (двойного дистиллята или раствора), и что по измеренным Черенковым характеристикам оно не имеет никакого отношения к люминесценции, Вавилов предположил, что свет излучают быстрые электроны, образующиеся в растворе под действием гамма-лучей. При этом излучение возникает практически мгновенно с началом движения и исчезает сразу же после прохождения электрона.
Дав первое теоретическое объяснение открытого его учеником эффекта, академик инициировал продолжение работ в этом направлении.
Надо сказать, что в то время (начало 1930-х гг.) самым надежным оптическим прибором, фиксировавшим все нюансы свечения, был человеческий глаз. Да и вообще все физические опыты за неимением адекватной приборной базы были предельно просты.
«В большей части экспериментов применялся разработанный Вавиловым с учениками метод использования человеческого глаза для количественных измерений световых потоков по порогу зрения». (Б.Б. Говорков).
По воспоминаниям Е.П. Черенковой, дочери Павла Алексеевича, отец часами сидел в подвале, привыкая к темноте и приучая свои глаза к отлову фотонов, после чего приступал к экспериментам. Говорят, Черенков умудрялся замечать даже одну частицу света!
Результаты наблюдений Черенков изложил в статье, опубликованной в 1934 г. в «Докладах Академии наук» — «Видимое свечение чистых жидкостей под действием ;-радиации», там же была помещена и теоретическая работа С.И. Вавилова — «О возможных причинах синего ;-свечения жидкостей».
Через некоторое время Черенковскую статью поместили в журнале «The Physical Review» (США).
Как директор ФИАНа (Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР) Вавилов предложил своим сотрудникам И.М. Франку и И.Е. Тамму заняться теоретическими аспектами «таинственного излучения» и порекомендовал им соответствующую литературу.
За несколько лет экспериментов Черенков накопил достаточно результатов, чтобы их можно было заключить в русло некоей теории. Франк и Тамм на основе классической электродинамики создали теорию излучения, главным пунктом которой было предположение, что быстрые электроны летят равномерно и прямолинейно со скоростью, превышающей скорость света в данной среде, и при этом испускают электромагнитные волны. (Как известно, в воде или в стекле скорость света существенно уменьшается из-за столкновения фотонов с атомами вещества).
Теория базировалась на т.н. эффекте Комптона, когда при гамма-облучении из атомов среды вылетают электроны, поглотившие гамма-кванты.
Все установленные Черенковым свойства излучения: его универсальность, спектр, поляризация, устремленность в узком конусе с осью в направлении траектории гамма-лучей описывались соответствующими формулами и определениями, учитывающими дисперсию, т.е. зависимость показателя преломления среды от частоты испускаемого света.
Теория была количественно подтверждена экспериментами Черенкова (продолжавшимися до 1944 г.) и ряда зарубежных ученых. Эффект свечения был обнаружен и при взаимодействии с веществом других заряженных частиц: мезонов, протонов и др. Статья Тамма и Франка в «Докладах Академии наук» — «Когерентное излучение быстрого электрона в среде» (1937) поставила точку в объяснении эффекта Вавилова — Черенкова.
Интерпретаторы этого эффекта, свойственного не только жидкостям, но и твердым телам, любят сравнивать его с «оптическим эквивалентом ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолет, преодолевая звуковой барьер», либо с волной, возникающей при движении лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде.
Воспринятое маститыми коллегами физиков поначалу с недоверием и даже с издевками (у Черенкова, например, интересовались, а не пробовал ли он изучать свечение в шляпе, и вообще подозревали в спиритизме), открытие в конце концов обрело мировое признание, причем абсолютное — если считать присуждение Нобелевской премии (1958) таковым.
Кстати, за 6 лет до этого, в 1952 г. кандидатуру Черенкова на присуждение ему Нобелевской премии предлагал профессор Л. Розенфельд (Англия), который не смог тогда представить тексты работ советского физика.
Дальнейшее развитие теория излучения Вавилова — Черенкова получила в работах Тамма и Франка, В.Л. Гинзбурга (разработка квантовой теории этого излучения), Б.М. Болотовского, В.П. Зрелова, Г.А. Аскарьяна и др. отечественных, а также зарубежных ученых.
«Выяснилась… связь между этим явлением и другими проблемами, как, например, связь с физикой плазмы, астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн и проблемой ускорения частиц». (Черенков П.А., Тамм И.Е., Франк И.М., Нобелевские лекции, М., 1960).
Какое-то время новому излучению придавали только фундаментальное значение, хотя Черенков и предложил измерять с его помощью скорость частиц высоких энергий по порогу излучения. Поскольку излучение расходится конусом вокруг траектории движения частицы, Павел Алексеевич предлагал определять угол при вершине конуса, который зависит от скорости частицы и от фазовой скорости света, а затем по величине этого угла — рассчитывать скорость частицы.
В дальнейшем это привело к созданию серии счетчиков (детекторов), названных именем первооткрывателя (существует даже такой термин: «черенкатор») — для измерения скорости единичных высокоскоростных частиц в ускорителях, в космических лучах, для контроля работы ядерных реакторов и т.п. При этом счетчики Черенкова позволяют выделять частицы с высокими скоростями и различать две частицы, поступающие почти одновременно, определять их массу и энергию. Этот детектор использовался при открытии антипротона, антинейтрона и других элементарных частиц.
По мнению специалистов, благодаря этим счетчикам элементарных частиц, имя Черенкова «стало едва ли не самым часто упоминаемым в работах по экспериментальной физике».
P.S. «Очень интересно отношение к своим открытиям самого Черенкова. Во время одного из заседаний… конференции, где в каждом докладе звучало его имя: черенковские счетчики, черенковские спектрометры, излучение Вавилова — Черенкова и т.д., Павел Алексеевич наклонился ко мне и тихо сказал на ухо:
“Борис Борисович, вы знаете, мне все время кажется, что все это относится не ко мне. Что где-то, когда-то жил другой Черенков, вот о нем все и говорят”» (Б.Б. Говорков).