Эффект Вавилова-Черенкова

В 1934 году 30-летний советский аспирант Павел Алексеевич Черенков выполнял в лаборатории Сергея Ивановича Вавилова серию практических экспериментов по изучению нетеплового излучения прозрачных жидкостей под действием гамма-излучения. Исследуемое излучение обладало слабым синеватым оттенком. Первоначально считалось, что подобное излучение является люминесценцией. Как известно люминесценция представляет собой излучение, вызванное переходом электронных оболочек атомов из одного энергетического состояния (орбиты) в другое энергетическое состояние (орбиту). Однако детальное изучение П. А. Черенковым излучения жидкостей с синеватым оттенком показало, что оно представляет собой потоки электронов, движущихся со скоростями, превышающими фазовую скорость света в воздухе. Фактически высокоэнергетические фотоны гамма-излучения выбивали электроны из электронных оболочек атомов молекул воздуха и отправляли их свободное плавание. Этот факт удалось выяснить на основе множества отличий от люминесценции:

1. Излучение наблюдалось у всех прозрачных жидкостей;
2. Излучение не изменялось при изменении химического состава прозрачных жидкостей;
3. У излучения наблюдалась поляризация, в направлении вектора распространения частиц;
4. У излучения не наблюдалось ни одного из видов тушения. Тушением называется свойство люминесценции уменьшать интенсивность излучения под действием изменений температуры или различных колебательных движений.

Первоначально обнаружение нового излучения было воспринято научным сообществом с большим скепсисом. Так проводилась аналогия с ошибочной интерпретацией так называемых N-лучей. В связи с этим редакторы наиболее авторитетного научного журнала Nature отказались опубликовать научную статью об открытом явлении.

Павел Черенков, 1958 год

Первую теоретическую интерпретацию обнаруженного излучения дал С. И. Вавилов. Он полагал, что излучение вызвано движением электронов в среде в отличие от обычного теплового излучения, которое вызвано движением атомов. При этом Вавилов опирался на классическую термодинамику, один из постулатов которой звучал о том, что любая заряженная частица, которая движется с ускорением, является источником излучения. Гипотезу С. И. Вавилова пришлось отбросить, так как она не объясняла слабой зависимости интенсивности черенковского излучения от порядкового номера химических элементов среды в Периодической таблице имени Менделеева. В 1937 году советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Иванович Франк опубликовали ряд теоретических работ с подробным обоснованием механизма излучения, которое сегодня принято в научном мире за истину. В их работе черенковское излучение объяснялось равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц со скоростями, которые превышают скорость света в среде. В связи с этим возникает парадокс, что скорость черенковского излучения может превышать скорость света в вакууме. Этот парадокс объясняется многочисленными преломлениями света в среде.

Открытие нового излучения стало важным открытием, которое получило высшую награду по физике в 1958 году. Нобелевскую премию разделили три советских физика, причастных к открытию: П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. И. Франк.

Интересно отметить, что многие физики регистрировали черенковское излучение задолго до первых наблюдений П. А. Черенкова. Это не является удивительным, так как черенковское излучение было обнаружено через 40 лет после открытия явления радиоактивности и процессов радиоактивного распада химических элементов. Вероятно, первой наблюдала черенковское излучение Мария Кюри. В своих исследованиях она отметила слабое свечение синего цвета, которое наблюдалось в концентрированных растворах с радием. Другой исследователь, французский физик Малле, в 1926 году даже отметил некоторые отличия свечения жидкостей рядом с радиоактивными веществами от явления люминесценции. Однако на его работы современники не обратили должного внимания. В этом плане заслуга П. А. Черенкова состояла в его упорстве и терпеливости в направлении подтверждения и подробного изучения открытого явления.

Эффект Вавилова-Черенкова

Так в 1934 году Черенков обнаружил свечение голубого цвета, при облучении жидкостей гамма-лучами. По предположению Сергея Ивановича Вавилова, научного руководителя Черенкова, свечение вызвали выбитые из среды электроны. Но почему они светились?

На этот вопрос в 1937 году ответили советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк. Оказалось, что электроны двигались со скоростью, превышающей скорость в света в этой среде. В этом и крылась загадка излучения Черенкова, которое стали называть эффект Вавилова-Черенкова.

Движущийся электрон своим электромагнитным полем поляризует атомы среды вокруг себя, а возвращение поляризованного атома в исходное состояние приводит к излучению световых волн. Причем направление поляризации в атомах перед электроном и за ним противоположное, поэтому если электрон движется медленно, волны взаимоуничтожаются.

Но как оказалось, этого не происходит если скорость электрона превышает скорость света, так как вместе с ней она превышает и скорость распространения электромагнитного поля, вызывающего поляризацию. Проще говоря, атомы впереди электрона не поляризуются, а те, что остаются сзади спокойно себе светятся. Обратите внимание, светится не электрон, а поляризованные им атомы.

Классическим примером эффекта Вавилова-Черенкова является голубое свечение воды в ядерных реакторах.