Текст уведомления здесь
Черенковское излучение вокруг ядерного реактораAaron Frank

Быстрее света

За что советские ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1958 году

28 октября 1958 года советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике — за открытие и истолкование эффекта Черенкова. «Чердак» коротко рассказывает о том, кто были эти ученые и что это за эффект.
Добавить в закладки
Комментарии

В 1933 году Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) в лаборатории Физико-математического института обнаружили ранее неизвестное явление. Чистая вода без всяких примесей начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах.

Излучение Вавилова — Черенкова возникает, когда частица движется быстрее скорости света в плотной среде. Слова «быстрее скорости света» тут не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а вот во всех материалах свет движется медленнее, чем в вакууме, и это уже вовсе не фундаментальное ограничение. Частица, разогнанная в вакууме, вполне может влететь в воду со скоростью, например, 299 791 километр в секунду, в то время как для воды предел составляет около 225 тысяч километров в секунду. А для оптического стекла это значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тысяч км/с, то есть свет распространяется в них вдвое медленнее!

Законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, поэтому какое-то расстояние в среде частица пролетает быстрее «местного ограничения». Все это время она тормозит и, следовательно, теряет энергию, которой надо куда-то деваться. При торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света. 

Почему вещество замедляет свет?

Свет — это по определению электромагнитная волна, колебания электромагнитного поля. При этом в любом веществе есть не только поле, но и атомы, поэтому распространение света ограничивается свойствами атомов, которые вносят некоторую задержку в передачу энергии электромагнитной волной. Или, что тоже возможно, просто не пропускают волну внутрь материала — это происходит в непрозрачных средах.

Детальное описание эффекта было разработано Черенковым, Вавиловым, Таммом и Франком. Трое из них — без умершего в 1951 Вавилова — получили в 1958 году Нобелевскую премию по физике. А сам эффект по сей день применяется в различных исследованиях, и его можно увидеть практически где угодно, главное только — знать, куда смотреть.

Красиво, но лучше смотреть издалека

Эффект Вавилова — Черенкова в наиболее ярком своем проявлении — это, безусловно, красиво. Голубое свечение погруженной в воду активной зоны ядерного реактора или опущенного в специальный бассейн отработавшего ядерного топлива обусловлено именно этим явлением. При распаде атомов урана или иных радиоактивных элементов некоторые частицы вылетают на скоростях больше скорости света в воде — и испускают то самое свечение.

Вспышки в глазах

Наши глаза, как известно, тоже состоят из прозрачной среды. Когда в глаз влетает частица с околосветовой скоростью, она начинает излучать, поэтому космонавты, например, неоднократно видели вспышки перед глазами. Во время полетов к Луне экипаж «Аполлонов» отмечал по одной вспышке в три минуты, и на «Аполлоне-17» один из астронавтов, Рон Эванс, даже надевал на голову специально сконструированный детектор космических лучей. Показания детектора позволили ученым сделать вывод о том, что наблюдаемые вспышки вовсе не иллюзия, а результат взаимодействия с частицами, прилетающими из космоса.

Большой угрозы для здоровья такие вспышки не несут, однако в целом повышенный радиационный фон на орбите, и тем более в дальнем космосе, всерьез беспокоит исследователей. Будущие экспедиции к Марсу или к проектируемой сейчас станции вблизи Луны хорошо бы защитить от избыточного облучения.

Рон Эванс, американский астронавт, с детектором космических лучей на головеNASA/Harrison Schmitt

Свет во тьме

Благодаря эффекту Вавилова — Черенкова глубины Мирового океана оказываются вовсе не в том кромешном мраке, каковой можно было бы предположить. Измерения, проведённые в 1984 году советскими исследователями в Атлантическом океане, показали, что постоянный радиоактивный распад калия-40 (естественный радионуклид, входящий в состав морской воды) дает достаточно сверхсветовых частиц для слабой фоновой засветки даже на отметке в пять километров ниже поверхности. На один квадратный сантиметр детектора в секунду прилетало несколько сотен фотонов, и теоретически обладатели достаточно больших глаз в этих условиях способны видеть: для глубоководных рыб излучение Вавилова — Черенкова может оказаться источником тусклого, но зато равномерного свечения.

Воздух тоже задерживает свет, пусть и в меньшей степени, поэтому самые быстрые частицы излучают уже при попадании в атмосферу. Это черенковское излучение в атмосфере тоже можно зафиксировать приборами, и благодаря ему небо оказывается не абсолютно черным даже в лишенных звезд местах (впрочем, вклад полярных сияний гораздо выше).

Детекторы и медицина

Яркость вспышки, ее продолжительность и направление распространения световых лучей зависят от энергии и направления полета исходной частицы. Эта связь позволяет физикам при достаточном числе одновременных наблюдений узнать о частице много интересной информации, и, что самое важное, все это можно сделать со стороны.

Таким образом, можно просто поставить несколько телескопов и направить их на небо вместо того, чтобы ловить редкие космические лучи высоких энергий самими детекторами на высоте более 10 километров. Подобные установки успешно используются в ряде обсерваторий, и с их помощью астрофизики могут изучать частицы с такими энергиями, которые не в состоянии выдать даже Большой адронный коллайдер.

Телескоп MAGICRobert Wagner

Кроме того, черенковское излучение возникает в воде (например, в толще озера Байкал) или во льду (под станцией «Амундсен — Скотт» на Южном полюсе) при попадании туда нейтрино. Опущенные под воду или вмороженные в лед чувствительные фотоумножители тоже будут регистрировать частицы не только при непосредственном попадании в сам прибор, а в целом блоке вокруг себя, и это резко повышает эффективность наблюдений. Черенковские детекторы активно используются при исследовании нейтрино. Кроме того, недавно эффекту Вавилова — Черенкова нашли место в медицине. Протоны, которыми «выжигают» раковую опухоль, тоже движутся быстрее скорости света в человеческом теле, поэтому при помощи черенковского излучения можно контролировать процесс лучевой терапии.

Загадки природы и не только

Как часто бывает в науке, открытие нового явления не просто обогатило знания о мире очередным фактом. Знание о том, как возникает свечение веществ под действием проходящих через них частиц, помогло раскрыть другие тайны природы.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Аксолотль и победа над бесконечностью

Седьмая история о фантастических тварях и о том, чему они могут нас научить

Они живут там, куда доползет не каждый дипломированный биолог. Они ставят с ног на голову наши представления о том, как должен работать живой организм. Они умеют то, о чем мы можем только мечтать. А мы? Завидуем. Отправляемся за ними в долины, глубины и трясины. Тратим лучшие годы жизни и фамильное наследство на поиски их секретов. Над загадкой чемпиона по регенерации среди позвоночных биологи бьются уже больше полутора столетий. Аксолотли искромсаны вдоль и поперек, но все так же отрешенно глядят на нас из аквариумов и исправно отращивают себе новые ноги, руки и даже глаза. А чем можем похвастаться мы?
Добавить в закладки
Комментарии

Даже если вы никогда не видели аксолотля, вы опознаете его без труда. Это длинное и мясистое туловище с пушистыми жабрами и флегматичными глазами навыкате.  Скорее всего, вы встретите его в какой-нибудь лаборатории, в плену у физиологов или эмбриологов.

Возможно, вам выпадет возможность попробовать его жареным, если окажетесь в Японии, — это потому, что аксолотли даже слишком хорошо размножаются в лабораторных условиях.

И, кажется, вероятность повстречать аксолотля на обеденной тарелке уже выше, чем в живой природе, — его естественный ареал обитания ограничен мексиканским озером Сочимилько, в южной части Мехико, и, по словам ученых, становится все меньше и меньше.

[ ... ]
Читать полностью
Непарный шелкопряд перед атакойФото предоставлено В.Мартемьяновым

«Важно изучить механизмы защиты от вируса, которые используют сами растения»

«Чердак» побеседовал с Вячеславом Мартемьяновым о создании вирусного препарата, способного регулировать плотность популяции непарного шелкопряда

Почти тысячу гектаров реликтовой лиственницы острова Ольхон на Байкале летом 2018 г. уничтожил лесной вредитель непарный шелкопряд (Lymantria dispar). Специалисты говорят, что еще в прошлом году популяция этого насекомого была в три раза меньше. На будущий год ситуация может стать критической, ведь один непарный шелкопряд откладывает до 500 яиц. Лиственница далеко не единственная пища непарного шелкопряда. В его рационе более 500 видов деревьев, растущих на территории Азии, Европы, Японии, Северной Америки и Северной Африки. Это насекомое считается одним из самых известных лесных вредителей во всем мире, его аппетиты наносят ощутимый экономический ущерб многим странам. Старший научный сотрудник лаборатории экологической паразитологии Института систематики и экологии животных СО РАН Вячеслав Мартемьянов рассказал, как можно победить шелкопряда.
Добавить в закладки
Комментарии

[ ... ]

Читать полностью

Чем отравить боль

Как самые смертоносные соединения в природе становятся послушными инструментами медиков

Ему повезло. Прямо под ним на песке безмятежно лежал Conus regius, корончатый конус, пестрый, идеально правильной формы — желанное приобретение для любого ценителя раковин. Сделав выдох, дайвер опустился ближе ко дну, взял крапчатую раковину в руки и отправился на поверхность. Уже на берегу, разобрав свои находки, он обнаружил едва заметную ранку на пальце. Вскоре легкий зуд в пальцах и онемение кисти подтвердили худшие опасения, а через пару часов рука уже полностью онемела. Неотложка, госпиталь, удивленное лицо врача — еще ни разу за свою карьеру медик не сталкивался с этим, нетипичным для здешних вод, ядом.
Добавить в закладки
Комментарии

К счастью, эта история закончилась для всех благополучно: дыхание и сердцебиение везучего коллекционера нарушал лишь легкий испуг. Уже на следующее утро все симптомы прошли, укушенный в палец ценитель раковин отправился домой, а медики сели писать статью — о первом в медицинской практике случае отравления ядом корончатого конуса.

Бразильскому коллекционеру и правда несказанно повезло. Если бы в его руках оказался не мирный карибский Conus regius, а его своенравный индо-тихоокеанский родич Conus geographus, раковина, найденная им в тот день, легко могла бы стать его последним трофеем.

Моллюски рода Conus — абсолютно фантастические существа. Щедрая на выдумки природа вооружила их настоящей гарпунной пушкой. Типичная для всех брюхоногих моллюсков костная терка-радула, выполняющая роль челюсти, превратилась у конусов в кассету острых костных гарпунов — во время охоты один из таких гарпунов подается в мускулистый хоботок, сокращение которого вонзает гарпун в тело жертвы. Чаще всего это рыба, легкомысленно проплывающая вблизи затаившегося моллюска. Но самое потрясающее во всей этой истории — яд, которым перед выстрелом моллюск заправляет особую полость в своем гарпуне. [ ... ]

Читать полностью