Загадочное голубоватое свечение, которое можно визуально фиксировать в бассейне ядерной электростанции, было впервые объяснено в 1958 году, советским физиком Павлом Черенковым. Характерное излучение является результатом прохождения заряженных частиц сквозь прозрачную диэлектрическую среду. Движение атомов происходит быстрее фазовой скорости света, свойственной для наблюдаемой субстанции, которой в бассейне является вода. Для оценки физических свойств заряженных частиц полезно изучать их излучение, при прохождении через диэлектрик.
Оглавление
История открытия
В лаборатории С. И. Вавилова, в 1934 году, проходили опыты с нетепловым излучением в прозрачной жидкой среде, которая находится под воздействием гамма-частиц. Исследователей, среди которых был аспирант Павел Черенков, интересовала природа голубого свечения в жидкости. До этой серии экспериментов ученые традиционно полагали, что любое подобное излучение можно считать люминесценцией, которая возникает при переходах электронных атомных оболочек из одного энергетического состояния в другое.
Аспирант Черенков более детально изучил загадочные свечения в жидкостях и нашел в них несколько важных отличий от достаточно изученного явления люминесценции. Оказалось, что превышая фазовую скорость света, заряженные фотоны гамма-лучей выбивают электроны из атомных оболочек воздушных молекул. Доказательство молодого ученого основывалось на следующих фактах:
- Характерное свечение, при создании определенных условий, возникало практически во всех прозрачных жидких средах.
- Направленное движение гамма-частиц вызывало поляризацию в области наибольшего скопления.
- Изменение химических качеств прозрачного раствора не оказывало никакого воздействия на свойства свечения.
- При изменении температуры или взбалтывании жидкости интенсивность свечения также не менялась, то есть характерное для люминесценции явление затухания на данный вид излучения не действовало.
В научном сообществе первые известия об открытии принципиально нового вида свечения были восприняты весьма скептически. На тот момент, прошло всего несколько лет после крупнейшего заблуждения о сенсационном открытии нового вида радиации французским физиком Брондло. Поначалу многие подтверждали его выводы, но впоследствии выяснилось, что известный ученый допустил ошибку. Опасаясь нового подвоха, крупнейший научный журнал Nature не принял на себя смелость печатать статью Павла Черенкова.
С. И. Вавилов попытался объяснить выводы аспиранта с точки зрения классического понимания термодинамических процессов. Один из законов в ней говорит о том, что источником свечения может становиться любая частица, двигающаяся с ускорением. Однако гипотеза Вавилова не вписывалась в другой постулат о зависимости силы свечения атомной частицы от места химического элемента в Периодической системе Менделеева.
Позже на открытие обратили внимание другие физики из СССР, И. И. Франк и И. Е. Тамм, которые впервые дали правильное объяснение эффекту излучения. Им удалось обнаружить, что частицы передвигаются в жидкостях, превышая скорость света, принятую для конкретной диффузной среды. Они выпустили ряд теоретических статей, подтверждающих, что свечение, открытое Черенковым, создает равномерное и направленное движение заряженных атомных частиц. В связи с этим, был объяснен и парадокс преломления света в вакуумной среде, где скорость движения фотонов может оказаться выше скорости света.
В 1958 году открытие Павла Черенкова наконец-то получило международное признание. Вместе с Таммом и Франком они получили Нобелевскую премию по физике. Несмотря на то, что странное излучение было замечено и описано еще Марией Кюри, за 40 лет до открытия Черенкова, его несомненная заслуга состояла в терпеливом и подробном исследовании природы неизвестного явления.
Механизм и геометрия распространения
Если рассмотреть геометрические контуры черенковского свечения, то оно напоминает так называемый «конус Маха», который был открыт для распространения ударных волн от летящей пули, снаряда или самолета. По мере продолжительности движения частиц в жидкой среде можно наблюдать замедление начальной скорости и уменьшение кинетической энергии заряда. На линии траектории движения ускоренной частицы последовательно возникают сферические волны, каждая из которых становится источником следующей. Касательные к этим образованным окружностям составляют один общий конус или целый фронт волнового движения. Причем угол вершины этого конуса уменьшается, в зависимости от величины скорости гамма-частиц в жидкой среде.
На глубинах мирового океана также наблюдаются места с ускоренным потоком заряженных электронов. Именно они являются причиной свечения, которое под многокилометровой толщей воды рассеивает абсолютный мрак. Особое устройство глаз у глубоководных морских обитателей приспособлено природой для обнаружения такого излучения в темноте.
Благодаря открытию Черенкова, стало возможным изготовление и использование таких измерительных приборов, как детекторы излучения. Они широко применяются в исследовательских работах, касающихся фиксации элементарных атомных частиц в любой жидкой среде, независимо от особенностей ее химического состава. С помощью измерения скорости, направления движения и величины энергии заряженных частиц, можно производить контроль за работой ядерных реакторов на электростанциях. Также знание о природе свечения позволяют делать выводы о космических явлениях, особенно о распространении солнечных лучей и реликтовом излучении.
Применение в астрономии
Эффект Вавилова-Черенкова позволил развить целую область астрономии, в которой многие измерения космического масштаба производятся непосредственно в земных лабораториях, без использования орбитальных детекторов. Атмосфера Земли блокирует ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, которые способны разрушить все живое. Поэтому измерение черенковского излучения становится единственным возможным способом регистрации и исследования гамма-лучей, посылаемых различными космическими объектами. Кроме того, самые короткие волны движения гамма-частиц лучше фиксировать у поверхности планеты, так как орбитальные обсерватории не справляются с этой задачей. Сверхвысокие энергии из глубин Вселенной создают на Земле многокилометровые диаметры конусов излучения элементарных частиц, иногда достигающих интенсивности настоящего ливня.
Установки для улавливания гамма-частиц в космосе и на земле
Среди мощных телескопических приборов, собирающих свечение далеких астрономических объектов, были созданы специальные гамма-установки, наземного и космического базирования. Их рабочая поверхность, регистрирующая черенковское излечение, может достигать площадь в несколько квадратных километров. Первые из подобных наземных установок появились еще в 60-х годах прошлого века. В западном полушарии крупные станции из наблюдающих телескопов установлены в районе Канарских островов и в пустыне Чили. В восточной части земного шара астрономический объект представлен комплексом «Тайга», размещенным в Забайкалье. С их помощью стала возможной регистрация гамма-излучений с более чем 200 космических тел, среди которых блазары, квазары и сверхновые нейтронные звезды. В диапазоне космических обсерваторий на данный момент астрономам удалось зафиксировать гамма-лучи от 4 000 галактических источников.
Возможность регистрации нейтрино
Элементарная частица, обладающая массой, равной «0», представляет собой явление очень трудно поддающееся фиксации и исследованию. Нейтрино невозможно взвесить, но впервые ее удалось зарегистрировать в бассейне с водой огромной величины, используя эффект Вавилова-Черенкова. Частицы солнечной энергии были зафиксированы также в большом резервуаре, путем подсчета в воде атомов соединений инертного аргона, который получался в результате воздействия нейтрино на молекулы хлора. Космические частицы предельно малой величины астрономам приходится улавливать с помощью гигантских детекторных сооружений, занимающих площадь, не менее 1 кубического километра. Некоторые из таких наблюдательных объектов, известных как IceCube и AMANDA, размещены в огромной толще антарктического льда.
В 2015 году Нобелевскую премию в области физики присудили за открытие осцилляции нейтрино, которая представляет собой процесс изменения этих элементарных частиц в другие разновидности. Загадка дефицита частиц солнечной энергии была разрешена также с помощью водного детектора Черенкова. Астрофизические явления крупных выбросов нейтрино из ядра планеты, ядерных энергетических реакторов и вспышек сверхновых звезд регистрируются в течение последних десятков лет. В 1987 году была зафиксирована вспышка нейтронной звезды в галактическом образовании Большое Магелланово облако. В 2018 году частицы сверхвысоких энергий долетели до Земли через расстояние в 4 млрд лет, от вспышки активного галактического ядра или блазара. Исследование нейтрино, исходящих от реликтового излучения, позволит астрофизикам проникнуть в тайны происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. На поверхности Земли возможно улавливание свечения от активных галактических ядер, предельных энергий и антинейтрино.
Перспективы использования детекторов излучения
В процессе устройства огромных детекторов для улавливания нейтрино в Средиземном мору и Антарктиде было выяснено, что оптимальной величиной для них является площадь в 10 кубических км. Причем, высокая степень прозрачности льдов на Южном полюса позволяет увеличить шаг детекторных установок по этой площади более чем в 2,5 раза. Увеличение объема установок для фиксирования гамма-лучей позволит улавливать даже редкие виды нейтрино, производимых сверхвысокими видами энергий. Уникальность такой разновидности нейтринных частиц вынуждает ученых увеличивать размеры устройств для их улавливания.
Открытие Черенкова получило перспективу применения в медицинском методе лечения рака с помощью лучевой терапии. Характерное свечение возникает при движении заряженных гамма-частиц сквозь тело больного. Врач может в этом случае более точно дозировать количество лечебного воздействия на человека, чтобы разрушить только злокачественные образования, не затрагивая здоровые клетки.
В начале 2022 года китайским ученым удалось применить эффект Дьяконова – Черенкова, открытый в области поверхностных излучений, для создания компактного типа детектора. Принцип прибора основан на взаимодействии заряженных гамма-частиц с волнами, появляющимися на поверхности материала с двулучепреломляющей способностью. В связи с расширением использования черенковских детекторов в разных направлениях научной деятельности, все более актуальным становится создание миниатюрных моделей. Обнаружение заряженных частиц на поверхностях кристаллов является важным направлением в теоретической физике и промышленном применении эффекта. Усиление эффекта Вавилова-Черенкова могут производить волны, возникающие на границе между двумя различными материалами. В основу детектора небольших размеров ляжет принцип взаимодействия свободных гамма-частиц с поверхностным излучением.
Методы гамма-астрономии имеют большое значение для исследования космических явлений, порожденных самыми высокими энергиями. Астрофизики могут изучать процессы в пределах нашей галактики, а также за ее пределами. С помощью анализа свечения можно исследовать слияния и взрывы звезд, распространение волн от крупных эволюционных потрясений, происходивших в последнее время. Гамма-кванты и космические ливни становятся видимыми для людей, благодаря их регистрации по методу Черенкова.
