Страницы истории. Эффект Черенкова

11.09.2013 09:20

Земляк воронежцев П.А.Черенков – представитель «неклассической науки» XX века, автор работ по физике частиц высоких энергий, ядерной физике, исследований космических лучей, разработок ускорителей электронов.

Павел Черенков

В 1928 году физико-техническое отделение педагогического факультета Воронежского государственного университета окончил Павел Черенков – выдающийся физик, будущий профессор, доктор физико-математических наук, академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии в области физики, лауреат трёх Государственных премий СССР, Герой Социалистического Труда.

Павел Алексеевич – наш земляк, представитель «неклассической науки» XX века, теоретическим стержнем которой являются концепции неклассической физики: теория относительности, квантовая механика, теория элементарных частиц, космологическая теория Большого взрыва, автор работ по физике частиц высоких энергий, ядерной физике, исследований космических лучей, разработок ускорителей электронов.

Появился на свет он 28 июля 1904 года в селе Новая Чигла Таловского района Воронежской области в трудолюбивой крестьянской семье. Там в память о выдающемся земляке установлена мемориальная доска и посажена Черенковская аллея.

Уцелели остатки сельского храма, где был крещен будущий ученый.

Отец ученого, Алексей Егорович Черенков, и его семья кормились не только благодаря плодородию и щедрости другого воронежского достояния – чернозема, но и занимаясь предпринимательством, имея собственную торговую лавку. Первоначально Павел учился в земской школе, а после завершения Гражданской войны окончил местную школу второй ступени. Благодаря достигнутым успехам он был рекомендован для поступления в Воронежский государственный университет. Нужно ли говорить о том, что это стало важнейшим событием и поворотным моментом в жизни обыкновенного крестьянского парня?

Особенно сильное влияние на будущего лауреата Нобелевской премии во время обучения в ВГУ оказал профессор математики и поэт Н.П.Самбикин. Черенков стал автором записи лекций этого преподавателя, стеклографированных в университете небольшим тиражом.

Однако его студенческая жизнь, как и у многих друзей-студентов, не была такой уж сладкой. Чтобы как-то прокормиться, им приходилось много работать. Молодой Черенков был вынужден давать частные уроки, подрабатывать разгрузкой вагонов.

В 1928 году он успешно защитил диплом и был направлен преподавать физику в школе в город Козлов, называемый теперь Мичуринском в честь другого выдающегося деятеля русской науки – биолога и селекционера, автора многих сортов плодово-ягодных культур И.В.Мичурина. В 1930 году сюда приехала работать учительницей русского языка и литературы ещё одна выпускница Воронежского университета – Мария Путинцева, дочь известного литературоведа, университетского профессора А.М.Путинцева. Павел и Мария познакомились на общей мичуринской квартире, где жили землячеством многие бывшие воронежские студенты. Вскоре они стали мужем и женой. В 1932-м у них родился сын, а в 1936-м семейство Черенковых пополнила дочь.

Каким-то чудом на судьбе Павла и Марии не отразился тот факт, что их родители в эти годы были репрессированы и арестованы. Так, отец Черенкова, Алексей Егорович, в 1931 году был раскулачен и подвергнут репрессиям. Невзирая на столь печальные обстоятельства, постигнувшие семью, Павел Алексеевич продолжал заниматься наукой. После того как, увидев в газете объявление о наборе в аспирантуру Института физики и математики Академии наук СССР, отправил туда заявление и получил ответ, Черенков поехал поступать и обосновываться в Ленинград.

В 1935 году он получил степень кандидата наук, после чего стал научным сотрудником Физического института им. П.Н.Лебедева в Москве, где и работал в дальнейшем. Научный руководитель предложил ему изучать явления люминесценции, конкретнее – начать исследование свечения жидкостей под воздействием гамма-лучей радия. В 1932 году под руководством академика С.И.Вавилова Черенков начал исследовать свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии, например, излучения радиоактивных веществ.

Приходилось проводить огромное количество времени в лаборатории, наблюдая за экспериментами, прежде чем Черенков сумел добиться конкретных результатов. Ему удалось показать, что практически во всех случаях у появляющегося света обнаруживаются известные причины, такие, например, как флуоресценция. Учёный обнаружил в жидкости слабое фоновое голубое свечение, которое дают гамма-лучи, испускаемые радием и обладающие гораздо большей энергией и, соответственно, частотой, чем рентгеновские лучи. Это свечение мало того, что не находило какого-либо удовлетворительного объяснения, но и вообще считалось невероятно мешающим чистоте основного эксперимента.

Первоначально довольно методично меняя компоненты и сопоставляя результаты с контрольными растворами, Черенков всячески пытался избавиться от него, но устранить непонятное свечение ему так и не удавалось. Он пользовался дважды дистиллированной водой, чтобы удалить все примеси, которые могли быть скрытыми источниками флуоресценции, применял нагревание и добавлял химические вещества, такие, как йодистый калий и нитрат серебра, которые уменьшали яркость и изменяли другие характеристики обычной флуоресценции, всегда проделывая те же опыты с контрольными растворами. Свет в контрольных растворах изменялся, как обычно, но голубое свечение оставалось неизменным.

Вообще, оно отмечалось и другими исследователями. Так, например, за десятки лет до Черенкова его наблюдали Мария и Пьер Кюри, во время изучения радиоактивности. Однако считалось, что это явление выступает всего лишь одним из многочисленных проявлений люминесценции.

Научный руководитель Черенкова выдающийся физик С.И.Вавилов первым догадался, что неизвестный и казавшийся ненужным эффект, зафиксированный благодаря скрупулезности и точности экспериментатора, – излучение электрона, а вовсе не люминесценция. Именно за него П.А.Черенков спустя почти четверть века получил Нобелевскую премию; этот эффект теперь во всех учебниках по физике у нас в стране называется «эффектом Черенкова – Вавилова», а во всем мире «эффектом Черенкова».

После защиты в 1935 году кандидатской диссертации в Физическом институте Академии наук в Москве, который отделился от Ленинградского института, Павел Алексеевич продолжил эксперименты, стремясь проверить гипотезу Вавилова.

Вообще, исследования зачастую осложнялись элементарным отсутствием у него источников радиации высокой энергии и чувствительных детекторов, вместо которых он пользовался слабыми естественными радиоактивными материалами для получения гамма-лучей и собственным зрением, обострявшемся после долгого пребывания в тёмном помещении. Но, несмотря на это, ему удалось достаточно убедительно показать экстраординарный характер голубого свечения, проявляющийся, например, в его необычной поляризации.

Черенковым было обнаружено, что по направлению к падающим гамма-лучам голубое свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно. В 1936 году исследования показали также, что оно испускается не во всех направлениях, а распространяется относительно падающих гамма-лучей вперёд, образуя световой конус, ось которого совпадает с траекторией гамма-лучей.

Илья Франк и Игорь Тамм – более опытные коллеги Черенкова, смогли создать теорию, которая дала полное обоснование «свечению Черенкова».

В 1940 году, после нескольких лет экспериментальной проверки, Черенков за свою работу получил степень доктора физико-математических наук, а в 1946-м вместе с коллегами Вавиловым, Франком и Таммом получил Сталинскую премию СССР, впоследствии переименованную в Государственную. Вторую Сталинскую премию Черенков получил в 1951 году за участие в разработке и создании в Институте имени Лебедева синхротрона.

10 ноября 1958 года в Стокгольме состоялось очередное торжественное вручение выдающимся деятелям мировой науки и культуры Нобелевских премий. Награды были удостоены учёные-физики П.А.Черенков, И.Франк, И.Тамм. К сожалению, С.И.Вавилова уже не было в живых, поэтому он номинирован не был. Особенностью этого ежегодного праздника мировой науки стало решение Нобелевского комитета о присуждении высокого звания первому из советских ученых в области физики.

Сохраняя своё фундаментальное значение, теория излучения Черенкова поначалу не имела практических приложений. Однако впоследствии для измерения скорости единичных высокоскоростных частиц были созданы счётчики Черенкова. Определение скорости основано на том, что чем быстрее движется частица, тем уже становится конус Черенкова. Поскольку излучение обладает энергетическим порогом и представляет собой короткие импульсы, с помощью счётчика можно отсеивать частицы с низкими скоростями и различать две частицы, поступающие почти одновременно.

При регистрации излучения также фиксируется информация о массе и энергии частицы. При открытии в 1955 году Оуэном Чемберленом и Эмилио Сегре антипротона – отрицательного ядра водорода – использовался именно этот тип детектора. Позднее ему нашлось применение в счётчике космических лучей на советском искусственном спутнике «Спутник-111».

В 1959-м Черенков стал руководителем институтской лаборатории фотомезонных процессов. Там он проводил исследования по фотораспаду гелия, других лёгких ядер, фотопродукции внутриатомных частиц.

В подмосковном городе Троицке им был создан экспериментальный филиал, где он руководил исследованиями на мощном электронном синхротроне.

Вскоре Черенков был избран членом-корреспондентом АН СССР, а затем стал академиком.

Непростыми выдались последние годы жизни ученого. После смерти жены он остался один в московской квартире. Его одолевала катаракта, а самой большой радостью в жизни стали встречи с навещавшими его детьми. Умер Павел Алексеевич в 1990 году в Москве.

«Черенковские счётчики» установлены на космических аппаратах, «черенковские детекторы» используются во многих экспериментах в области ядерной физики и физики высоких энергий. Летом 2004-го прошла международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения П.А. Черенкова, а кроме того – совместное заседание ученого совета ФИАН и МИФИ. В ВГУ тогда была открыта мемориальная доска в честь Павла Алексеевича и проведена научная конференция.

Елена Павловна Черенкова – дочь учёного, работающая после выхода на пенсию сотрудником ФИАН, – подарила в честь юбилея личные вещи отца нескольким воронежским музеям – областному краеведческому, университетскому, сельскому в Новой Чигле. Вместе с внуком Черенкова – Андреем, участвовала она и в открытии мемориальной доски в честь своего знаменитого отца в главном корпусе ВГУ.

Также мемориальная доска установлена в Мичуринске, где когда-то Черенков преподавал и встретил свою будущую жену. Именем Черенкова названа одна из улиц Воронежа, а также оптическая лаборатория физического факультета ВГУ.