Свет — мое призвание

Эффект Вавилова — Черенкова

В 1933 году С. И. Вавилов предложил своему аспиранту П. А. Черенкову, как мы уже упоминали, исследовать механизм люминесценции растворов ураниловых солей, возбуждаемых гамма-лучами радия, и сравнить его со свечением этих же веществ при их возбуждении видимым светом и рентгеновской радиацией.

Тема не получила поддержки у некоторых влиятельных деятелей академии. И. М. Франк и Е. Л. Фейнберг писали, что хорошо помнят язвительные замечания по поводу того, что в ФИАНе занимаются наблюдением призраков, изучают никому не нужное свечение неизвестно чего под действием гамма-лучей. Находились острословы, которые говорили: «Вы почему-то испытываете излучение только разных жидкостей и доказываете, что всюду оно есть, а излучение в шляпе не пробовали?» и т. п. Понадобились большие усилия, чтобы отстоять тему.

П. А. Черенков обнаружил, что помимо обычной люминесценции ураниловых солей существует и другое очень слабое свечение самих растворителей. Оно имело синюю окраску. Его энергия возрастала по мере продвижения в сторону коротких волн. Еще в 1929 году С. И. Вавилов обнаружил явление универсальной синей люминесценции, которое наблюдалось у чистых растворителей различной природы. Спектральный состав излучения во всех случаях был одинаковым. Наличие этого свечения было связано с присутствием даже в чистых растворителях ничтожных посторонних примесей, обладающих люминесцентной способностью. В шутку Сергей Иванович называл их дохлыми бактериями.

Естественно было провести аналогию между синим свечением жидкостей и излучением, обнаруженным Черенковым. Однако Вавилов не спешил с выводами. К этому времени люминесцентные свойства многих веществ были им глубоко изучены, их наиболее характерные признаки установлены. Так, было замечено, что люминесценция может сильно тушиться при добавлении посторонних примесей. Увеличение температуры также сопровождалось температурным тушением свечения. Мы уже говорили о поляризационных свойствах люминесцирующих веществ.

Вавилов очень интересовался всеми этапами исследования Черенкова, часто сам принимал участие в измерениях. Из-за малой интенсивности возбуждающего источника — гамма-лучей (в то время иных возбудителей такого рода не было) свечение оказывалось очень слабым. Это затрудняло проведение визуальных измерений.

Для устранения субъективных факторов Черенков вел отсчеты с помощью ассистента. Предварительно исследователи подолгу (час-полтора) адаптировались в темноте. В результате чувствительность их глаз к свету возрастала в десятки тысяч раз. Отсчеты производили через равные промежутки времени (около 5 минут), стремясь избегать утомления глаз. В таком режиме удавалось уверенно работать в течение не более двух с половиной часов.

Участвуя в этих измерениях, Сергей Иванович не терял ни секунды даром. Он использовал вынужденное предварительное полуторачасовое пребывание в темноте для обсуждения «через дверь» проводимых исследований со своими учениками. Привыкнув к темноте, Вавилов и Черенков начинали утомительные измерения.

Несмотря на экспериментальные трудности, новое свечение было детально изучено. Оказалось, что оно обладает своеобразными свойствами. Под действием гамма-лучей свечение возникало в любых прозрачных жидкостях и твердых телах. Интенсивность его при идентичных условиях возбуждения во всех случаях была одинаковой. Спектральный состав излучения не зависел от химической природы облучаемого вещества. Излучение характеризовалось пространственной асимметрией и распространялось только вперед под некоторым углом к направлению возбуждающего пучка гамма-лучей. Кроме того, излучение было поляризованным и имело преимущественное направление колебаний электрического вектора, совпадающее с направлением прохождения пучка гамма-лучей.

Ни одного из свойств люминесценции у свечения не было. Его не удавалось потушить самыми сильными тушителями, оно не ослабевало при сильном нагревании вещества — при этом его поляризация оставалась неизменной. Поляризационные свойства свечения существенно отличались от свойств поляризованной люминесценции.

С. И. Вавилов пришел к выводу, что обнаруженное голубое свечение не является люминесценцией. Как выяснилось впоследствии, выдающиеся французские физики супруги Пьер и Мария Кюри, а также французский физик Малле еще раньше наблюдали такое свечение у различных чистых жидкостей, облучаемых гамма-лучами, принимая его за слабую люминесценцию. Только благодаря глубокому знанию природы и свойств люминесценции Вавилов избежал этого заблуждения.

И. М. Франк писал, что Сергей Иванович смеялся над возможностью планирования открытий. Он говорил, что открытие — это всегда непредвиденное, и его планирование невозможно, но если открытие возникает случайно в ходе эксперимента, то не случайны люди, которые могут его сделать.

Когда стало ясно, что голубое свечение не имеет ничего общего с люминесценцией, встал вопрос о его природе. В небольшой теоретической работе «О причинах синего гамма-свечения жидкостей», опубликованной в 1934 году, С. И. Вавилов выдвигает предложение, что это свечение вызывается не самими гамма-лучами, а быстрыми вторичными электронами, возникающими при их прохождении через исследуемое вещество. Для подтверждения этого предположения по предложению Вавилова Черенков пробовал возбуждать свечение жидкостей пучком электронов. Для этого им была использована закупленная за границей эманация радия, помещенная в ампулу с тонкими стенками. Следует заметить, что грамм радия был едва не основным богатством Физического института тех лет. Свечение действительно оказалось тождественным свечению, возбуждаемому в жидкостях под действием гамма-лучей.

Черенковым были поставлены и другие эксперименты, подтверждающие электронное происхождение обнаруженного свечения. Он исходил из того, что поляризация свечения должна определяться направлением движения электронов. Применяя магнитное поле, можно было ожидать изменения траектории электронов, а следовательно, поляризации и интенсивности наблюдаемого свечения. Опыты подтвердили сильное влияние магнитного поля на исследуемые процессы и доказали электронную природу нового вида излучения.

Являясь научным руководителем П. А. Черенкова и внеся большой вклад в постановку и ход всего цикла исследований, хорошо понимая значение открытия нового излучения, Сергей Иванович настоял на том, чтобы Павел Алексеевич опубликовал результаты исследования только под своим именем. Впоследствии, выступая официальным оппонентом уже докторской диссертации П. А. Черенкова, академик Л. И. Мандельштам многократно упоминал имя С. И. Вавилова. Он сказал: «Роль Сергея Ивановича в открытии эффекта такова, что ее следует указывать всегда, когда речь идет об этом открытии».

С. И. Вавилов подключил к работам и другого своего ученика — И. М. Франка, который, занявшись теоретической стороной вопроса, предположил, что наблюдаемое свечение вызывается электронами, движущимися в исследуемом веществе со скоростями, превышающими скорость света в среде (фазовую скорость света). Возникающие при этом электромагнитные волны отстают от движущихся электронов, интерферируют между собой и образуют общий конический фронт. На основании этих предположений оказалось возможным объяснить основные свойства нового излучения.

Точная классическая теория явления была создана И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 году. От ее создателей потребовалось большое научное мужество, ибо казалось, что они замахнулись на самые основы теории относительности. В те времена царило твердое убеждение, что электрон не способен двигаться быстрее света, который к тому же не может излучаться равномерно движущимся зарядом. Потребовалось немало сил, чтобы доказать, что эти представления, справедливые для вакуума, неприменимы к движению электронов в преломляющей среде. И. Е. Тамм и И. М. Франк показали, что даже в случае равномерного движения электронов в веществе будет излучаться свет, если их скорость превышает фазовую скорость света в данной среде. Была получена простая зависимость между скоростью частиц, вызывающих свечение, и направлением распространения излучаемой ими световой волны.

Новое открытие получило признание далеко не сразу. Многие ученые, в том числе и академик А. Ф. Иоффе, не смогли сразу оценить его значения. И. М. Франк вспоминал высказывание одного очень известного физика, который изрек: «В ФИАНе занимаются свечением какой-то грязи». Дело дошло до того, что в 1937 году международный журнал «Nature» отклонил статью П. А. Черенкова, представленную С. И. Вавиловым, которая была посвящена сопоставлению собственных экспериментальных результатов с теорией И. Е. Тамма и И. М. Франка. Понадобился не один год, чтобы жизнь заставила скептиков признать свою неправоту. В 1946 году «за открытие и исследование излучения электронов при движении их в веществе со сверхсветовой скоростью» С. И. Вавилов, П. А. Черенков, И. М. Франк и И. Е. Тамм были удостоены Государственной премии СССР.

В 1958 году «за открытие и толкование эффекта Черенкова» И. Е. Тамму, И. М. Франку и П. А. Черенкову была присуждена Нобелевская премия по физике. По существующему положению, Нобелевская премия присуждается лишь здравствующим ученым, поэтому в списке награжденных не было С. И. Вавилова. Однако открытое излучение по справедливости получило название излучения Вавилова — Черенкова.

Академик П. А. Черенков писал: «Результаты всех этих трудов Сергея Ивановича Вавилова стали одним из основных фундаментов современного учения о люминесценции. На базе этого фундамента стало возможным одно из важнейших открытий современной физики — открытие излучения частиц сверхсветовой скорости. Не останавливаясь на деталях этого открытия, я хотел бы сказать, что оно могло осуществиться только в такой научной школе, как школа С. И. Вавилова, где были изучены и определены основные признаки люминесценции и где были разработаны строгие критерии отличия люминесценции от других видов излучения. Не случайно поэтому, что даже в такой крупнейшей школе физиков, как парижская, прошли мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию. Я специально подчеркиваю это обстоятельство потому, что оно полнее и, как мне кажется, правильнее определяет ту выдающуюся роль, которую сыграл С. И. Вавилов в открытии нового эффекта».

Открытие излучения Вавилова — Черенкова заложило основы нового раздела современной физики, изучающего электродинамику движущихся источников света в преломляющей среде со сверхсветовой (релятивистской) скоростью. Уникальные свойства излучения Вавилова — Черенкова в настоящее время широко используются для установления наличия и исследования свойств различных типов элементарных частиц высоких энергий. В частности, скорость частиц больших энергий может быть установлена по угловому распределению излучения Вавилова — Черенкова с очень высокой точностью, достигающей 0,1 процента.

Созданы специальные счетчики элементарных частиц (счетчики Черенкова), где в качестве приемника света используются фотоэлектронные умножители. Работа этих счетчиков основана на регистрации излучения Вавилова — Черенкова. По наличию и характеру этого излучения удается обнаружить не только сам факт присутствия элементарных частиц и с высокой точностью определить их скорость, но и установить их природу, решить, вызывается ли излучение электронами, позитронами, протонами или другими элементарными частицами.

Изучение свечения Вавилова — Черенкова привело к ряду выдающихся открытий. Так, с его помощью в 1955 — 1956 годах были открыты новые элементарные частицы — антипротон и антинейтрон, первые частицы антивещества, полученные в земных условиях.

Счетчики Черенкова широко используются при изучении космических лучей — потоков быстрых элементарных частиц, создаваемых космическим излучением в атмосфере Земли. Счетчики устанавливают на искусственных спутниках Земли и на космических ракетах. Созданы специальные спектрометры Черенкова, позволяющие с большой точностью и в широком диапазоне определять энергию гамма-лучей при проведении опытов с различными типами ускорителей. Излучение Вавилова — Черенкова применяют для генерации миллиметровых радиоволн, при решении проблемы создания управляемых термоядерных реакций, ряда важных астрофизических вопросов и т. д.

Излучение Вавилова — Черенкова широко распространено в природе. Его, с одной стороны, необходимо учитывать при изучении разнообразных природных процессов и явлений, с другой стороны, его широко используют при решении многих важнейших проблем, встающих перед физической наукой. Ныне каждый физик знает, насколько велико значение этого открытия.