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