Виорель Ломов - 100 великих научных достижений России

• Название: 100 великих научных достижений России
• Автор: Виорель Ломов
• Жанр: Прочая научная литература

Давно признаны во всем мире достижения российской науки. Химия, физика, биология, геология, география, астрономия, математика, медицина, космонавтика, механика, машиностроение… – не перечислить всех отраслей знания, где первенствуют имена российских ученых.

Что такое математический анализ Л. Эйлера? Каковы заслуги Н.И. Лобачевского в геометрии? Какова теория вероятности А.Н. Колмогорова? Как создавал синтетический каучук С.В. Лебедев? Какое почвоведение разработано В.В. Докучаевым? Какую лунную трассу создал Ю.В. Кондратюк? Над какими атомными проектами работал А.П. Александров? На эти и другие вопросы отвечает очередная книга серии «100 великих».

---

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.

П.А. Черенков

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, посчитавшими 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 γ-радиации», там же была помещена и теоретическая работа С.И. Вавилова – «О возможных причинах синего γ-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, то есть 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 других 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».

«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).

ОПТИКА СЕРГЕЯ ВАВИЛОВА

Физик, один из лучших учеников П.Н. Лебедева, государственный и общественный деятель, историк и популяризатор науки, переводчик научной литературы (ученый в совершенстве владел пятью языками), публицист, книголюб-коллекционер, организатор и первый директор Физического института им. П.Н. Лебедева, научный руководитель Государственного оптического института, уполномоченный Государственного Комитета Обороны – чрезвычайного высшего государственного органа в годы Великой Отечественной войны, первый председатель общества «Знание», главный редактор журналов «Природа» и «Наука и жизнь», а также Большой советской энциклопедии, депутат Верховного Совета РСФСР и СССР нескольких созывов; лауреат четырех Сталинских премий СССР, академик АН СССР, президент АН СССР, Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) является одним из основателей российской научной школы физической оптики, основоположником исследований люминесценции, микрооптики и нелинейной оптики, автором эффекта Вавилова – Черенкова, создателем отечественной оптико-механической промышленности.