Главная  >  Наука   >  Физика


Излучение Черенкова-Вавилова - первая русская Нобелевская премия по физике (1958)

11 октября 2007, 63

В 1932 году молодой аспирант Павел Черенков начал исследовать свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии.

     

     В 1958 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем советским ученым: Павлу Черенкову, Илье Франку и Игорю Тамму. Эта премия стала первой подобной наградой, присужденной отечественным физикам.

     Комментируя первое награждение советских ученых Нобелевской премией по физике, газета "Нью-Йорк таймс" отметила, что оно свидетельствует о "несомненном международном признании высокого качества экспериментальных и теоретических исследований в области физики, проводимых в Советском Союзе". Подобное признание носило иронический характер (по крайней мере отчасти), поскольку во времена оригинальных исследований Черенкова его примитивные методы делали для многих физиков сомнительными результаты исследований.

     

     История этого открытия берет свое начало в 1932 году, когда под руководством академика С.И. Вавилова молодой аспирант Павел Черенков начал исследовать свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии, например излучения радиоактивных веществ.

     

     Ему удалось показать, что почти во всех случаях свет вызывался известными причинами, такими, как флуоресценция. При флуоресценции падающая энергия возбуждает атомы или молекулы до более высоких энергетических состояний (согласно квантовой механике, каждый атом или молекула обладает характерным множеством дискретных энергетических уровней), из которых они быстро возвращаются на более низкие энергетические уровни. Разность энергий более высокого и более низкого состояний выделяется в виде единицы излучения - кванта, частота которого пропорциональна энергии. Если частота принадлежит видимой области, то излучение проявляется как свет. Поскольку разности энергетических уровней атомов или молекул, через которые проходит возбужденное вещество, возвращаясь в самое низкое энергетическое состояние (основное состояние), обычно отличаются от энергии кванта падающего излучения, эмиссия из поглощающего вещества имеет другую частоту, чем у порождающего ее излучения. Обычно эти частоты ниже.

     

     Однако Черенков обнаружил, что гамма-лучи (обладающие гораздо большей энергией и, следовательно, частотой, чем рентгеновские лучи), испускаемые радием, дают слабое голубое свечение в жидкости, которое не находило удовлетворительного объяснения. Это свечение отмечали и другие. За десятки лет до Черенкова его наблюдали Мария и Пьер Кюри, исследуя радиоактивность, но считалось, что это просто одно из многочисленных проявлений люминесценции. Ч. действовал очень методично. Он пользовался дважды дистиллированной водой, чтобы удалить все примеси, которые могли быть скрытыми источниками флуоресценции. Он применял нагревание и добавлял химические вещества, такие, как йодистый калий и нитрат серебра, которые уменьшали яркость и изменяли другие характеристики обычной флуоресценции, всегда проделывая те же опыты с контрольными растворами. Свет в контрольных растворах изменялся, как обычно, но голубое свечение оставалось неизменным.

     

     Исследование существенно осложнялось из-за того, что у Черенкова не было источников радиации высокой энергии и чувствительных детекторов, которые позднее стали самым обычным оборудованием. Вместо этого ему пришлось пользоваться слабыми естественными радиоактивными материалами для получения гамма-лучей, которые давали едва заметное голубое свечение, а вместо детектора полагаться на собственное зрение, обострявшееся с помощью долгого пребывания в темноте. Тем не менее ему удалось убедительно показать, что голубое свечение представляет собой нечто экстраординарное.

     

     Значительным открытием была необычная поляризация свечения. Свет представляет собой периодические колебания электрического и магнитного полей, напряженность которых возрастает и убывает по абсолютной величине и регулярно меняет направление в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Если направления полей ограничены особыми линиями в этой плоскости, как в случае отражения от плоскости, то говорят, что свет поляризован, но поляризация тем не менее перпендикулярна направлению распространения. В частности, если поляризация имеет место при флуоресценции, то свет, излучаемый возбужденным веществом, поляризуется под прямым углом к падающему лучу. Черенков обнаружил, что голубое свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей. Исследования, проведенные в 1936 г., показали также, что голубое свечение испускается не во всех направлениях, а распространяется вперед относительно падающих гамма-лучей и образует световой конус, ось которого совпадает с траекторией гамма-лучей. Это послужило ключевым фактором для его коллег, Ильи Франка и Игоря Тамма, создавших теорию, которая дала полное объяснение голубому свечению, ныне известному как излучение Черенкова-Вавилова.

     

     В 1936-1937 гг. Илья Франк и Игорь Тамм сумели вычислить свойства электрона, равномерно движущегося в некоторой среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде (нечто напоминающее лодку, которая движется по воде быстрее, чем создаваемые ею волны). Они обнаружили, что в этом случае излучается энергия, а угол распространения возникающей волны просто выражается через скорость электрона и скорость света в данной среде и в вакууме.

     Одним из первых триумфов теории Франка и Тамма было объяснение поляризации излучения Черенкова, которая, в отличие от случая люминесценции, была параллельна падающему излучению, а не перпендикулярна ему. Теория казалась столь удачной, что Франк, Тамм и Черенков экспериментально проверили некоторые ее предсказания, такие, как наличие некоторого энергетического порога для падающего гамма-излучения, зависимость этого порога от показателя преломления среды и форма возникающего излучения (полый конус с осью вдоль направления падающего излучения). Все эти предсказания подтвердились. В знак признания этой работы в 1946 году Черенков, Тамм, Франк и Вавилов были награждены Государственной (Сталинской) премией СССР.

     

     В течение ряда лет теория излучения Черенкова, сохраняя фундаментальное значение, не имела практических приложений. Однако впоследствии были созданы счетчики Черенкова (основанные на обнаружении излучения Черенкова) для измерения скорости единичных высокоскоростных частиц, вроде тех, что образуются в ускорителях или в космических лучах. Определение скорости основано на том, что чем быстрее движется частица, тем уже становится конус Черенкова. Поскольку излучение Черенкова обладает энергетическим порогом и представляет собой короткие импульсы, с помощью счетчика Черенкова можно отсеивать частицы с низкими скоростями и различать две частицы, поступающие почти одновременно. При регистрации излучения поступает также информация о массе и энергии частицы. Этот тип детектора использовался при открытии антипротона (отрицательного ядра водорода) Оуэном Чемберленом и Эмилио Сегре в 1955 г.; позднее он применялся в счетчике космических лучей на советском искусственном спутнике "Спутник-111".

     

     Трое здравствующих членов группы (Вавилов умер в 1951 г.) были в 1958 г. награждены Нобелевской премией по физике "за открытие и истолкование эффекта Черенкова". В своей Нобелевской лекции Франк указывал, что эффект Черенкова "имеет многочисленные приложения в физике частиц высокой энергии". "Выяснилась также связь между этим явлением и другими проблемами, - добавил он, - как, например, связь с физикой плазмы, астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн и проблемой ускорения частиц".

     

     

     Литература:

     

     Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

     Черенкова-Вавилова излучение // Большая Советская Энциклопедия

     

     

     

     

Русская Цивилизация
Читайте также:



©  Фонд "Русская Цивилизация", 2004 | Контакты