Когда физики в цене

Радунская Ирина Львовна

Но для образования ударной звуковой волны самолет или снаряд должны лететь быстрее звука. Значит, для образования «ударной световой волны» электрон тоже должен лететь быстрее света! Но как это может быть? Ведь Эйнштейн еще полвека назад показал, что ни одно тело, ни одна элементарная частица не могут передвигаться со скоростью, превосходящей скорость света в пустоте. Но эта-то последняя оговорка и спасает положение.

Дело в том, что в веществе свет распространяется медленнее, чем в пустоте, а в некоторых веществах даже намного медленнее. Поэтому ничто не препятствует электрону, обладающему достаточной энергией, обогнать световую волну, бегущую в таком веществе. А при этом уже может образоваться «ударная световая волна» — излучение Черенкова. Теорию, объясняющую возникновение

черенковского излучения, создали в 1937 году советские ученые академик Тамм и член-корреспондент Академии наук СССР И.М. Франк. Они неопровержимо показали, что Черенков открыл совершенно новый вид светового излучения. Суть теории этого явления можно пересказать так. Электрон, летящий в веществе, сильно взаимодействует с атомами, лежащими на его пути. В результате в веществе возникают световые волны, которые разбегаются во все стороны от летящего электрона. Если электрон летит медленнее света, то световые волны, исходящие от различных участков его пути, гасят друг друга, и мы не видим световых волн, так же как не видим носовую волну у корабля, движущегося с очень малой скоростью. Иное дело, если электрон летит быстрее, чем скорость света в веществе. В этом случае световые волны, излучаемые электроном по мере его продвижения в веществе, складываются, образуя разбегающуюся в виде конуса световую волну. Теория блестяще совпадала со всеми опытами Черенкова, проделанными им за пять лет неустанного труда, и подтвердилась многочисленными исследованиями, которые он провел впоследствии для проверки количественной стороны теории. Исследования Черенкова были столь исчерпывающими, что последующие работы в этой области лишь увеличивали достигнутую точность или были связаны с практическим применением открытого им эффекта.

Еще через два года член-корреспондент АН СССР В. Л. Гинзбург рассмотрел теорию эффекта Черенкова с точки зрения квантовой механики. Он же на основании расчетов предсказал ряд особенностей черенковского излучения при прохождении быстрых электронов через кристаллы, и эти особенности действительно были обнаружены.

ЭЛЕКТРОНЫ НЕ ОДИНОКИ

В послевоенные годы изучение эффекта Черенкова возобновилось. Успеху способствовали два обстоятельства. Во- первых, изобретение и создание ускорителей заряженных частиц, способных создавать гораздо большее количество быстрых частиц, чем их можно было получить от радиоактивных препаратов. Это позволило получать сравнительно яркое черенковское излучение. Во-вторых, создание фотоумножителей — приборов, достаточно чувствительных для регистрации отдельных фотонов. Теперь ученые не сидят часами в темноте. Электронные приборы автоматически ведут подсчет фотонов черенковского излучения, замечая и то, чего не мог бы заметить самый натренированный глаз.

В 1951 году было обнаружено черенковское излучение, вызванное прохождением через дистиллированную воду мюмезонов космических лучей.

В том же году было обнаружено черенковское излучение от пучка быстрых протонов, полученных с помощью ускорителя. Свечение было столь сильным, что его легко можно было фиксировать с помощью фотографической пластинки. Обработка результатов эксперимента привела к блестящему совпадению с теорией Тамма — Франка. Еще через год было обнаружено черенковское излучение, вызванное протонами, входящими в состав космических лучей.

Постепенно черенковское излучение перестало быть только объектом изучения. Оно оказалось изученным настолько, что, в свою очередь, превратилось в инструмент в руках ученых.

Вспомним о волнах, разбегающихся по воде от движущегося катера. Если бы на катере вышли из строя приборы для измерения скорости, капитан смог бы определить его скорость, измеряя угол, под которым расходится носовая волна. Физики, изучавшие черенковское излучение от протонов, полученных с помощью ускорителя, показали, что таким же образом можно очень точно измерять скорость, а значит, и энергию протонов. Тщательно измеряя угол, под которым видно излучение, и свойства среды, в которой оно наблюдалось, они определяли скорость протонов с ошибкой меньше чем 0,1 %. Этим способом может измеряться и скорость других быстрых заряженных частиц.

На основе эффекта Черенкова созданы крайне чувствительные счетчики, позволяющие регистрировать отдельные быстрые частицы. Такие счетчики обладают огромным преимуществом. Они позволяют просто определять направление прихода частиц. Ведь черенковское излучение может наблюдаться только в виде узкого конуса, смотрящего вдоль направления полета частицы.

Черенковские счетчики обладают еще одним важным преимуществом — они не замечают медленных частиц. Ученые называют это пороговым эффектом. Ведь частицы, скорость которых меньше скорости света в веществе, из которого сделан счетчик, не дают в нем черенковского излучения, а значит, счетчик их не считает. Изготовляя счетчики из различных веществ, можно изменять величину пороговой скорости, то есть регистрировать частицы с различной энергией.

Со временем удалось наблюдать черенковское излучение не только в жидкостях и твердых телах, но и в газах. Несмотря на то, что свет распространяется в воздухе лишь немногим медленнее, чем в пустоте, оказалось, что в составе космических лучей имеются частицы, обгоняющие свет в воздухе. Черенковское излучение от этих частиц имеет вид очень острого конуса с углом всего в один градус, что позволяет определить направление прихода космических частиц с недоступной для других методов точностью.

Физики всего мира были недавно взволнованы двумя важными открытиями. На крупнейшем американском ускорителе- бэватроне, дающем частицы с энергией 6,8 млрд. электроновольт, были открыты новые частицы — антипротон и антинейтрон. При открытии обеих новых частиц существенную роль сыграло применение черенковских счетчиков. Черенковские счетчики будут применяться и при исследованиях на крупнейшем в мире ускорителе-синхрофазотроне на 10 млрд. электроновольт, построенном советскими учеными в городе Дубна.

ВТОРАЯ ЖИЗНЬ ОТКРЫТИЯ

Гинзбург, теоретически изучивший еще перед войной черенковское излучение в твердых телах, предложил использовать это излучение для генерации миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. В 1946 году он, рассматривая различные возможности получения миллиметровых радиоволн, указал, что эффект Черенкова позволяет использовать для этой цели равномерно движущиеся электроны.

При этом Гинзбург развил мысль академика Мандельштама, высказанную им задолго до того, еще при обсуждении докторской диссертации Черенкова.

Мандельштам указал, что для наблюдения эффекта Черенкова не обязательно пропускать электроны через вещество, где они довольно быстро тормозятся встречными атомами. Достаточно, указал он, пропустить пучок быстрых электронов через канал, проделанный в диэлектрике. Важно лишь, чтобы сечение этого канала было меньше, чем длина электромагнитной волны в этом диэлектрике. Эффект может быть получен и в том случае, когда пучок электронов просто пролетает достаточно близко к поверхности диэлектрика.

Электроны при этом летят в пустоте и поэтому, конечно, не могут лететь быстрее света. Но достаточно, чтобы они летели быстрее, чем электромагнитная волна, бегущая внутри диэлектрика. В этом случае волны, возникающие в диэлектрике под воздействием пролетающего электрона, будут складываться в черенковскую волну, которая распространяется внутри диэлектрика, а затем может быть излучена в пространство.

Особенно мощные радиоволны можно получить этим способом, используя не сплошной поток электронов, а предварительно сгруппировав электроны в небольшие сгустки.

Однако это не единственный способ получения радиоволн с помощью эффекта Черенкова. Ведь мы знаем, что для возникновения этого эффекта достаточно уменьшить скорость электромагнитной волны до величин меньших, чем скорость электрона, и излучение начнется.

Оказывается, скорость электромагнитных волн можно уменьшить, не только пропуская их через диэлектрик. Во многих случаях сантиметровые и миллиметровые волны передаются с помощью специальных металлических труб — волноводов. Если внутри такой трубы установить ряд перегородок с отверстиями, то скорость распространения волны по такой трубе сильно уменьшится.