Нобелевская премия «за открытие и истолкование эффекта Черенкова»

Русский физик Павел Алексеевич Черенков родился в Новой Чигле вблизи Воронежа. Его родители Алексей и Мария Черенковы были крестьянами. Окончив в 1928 г. физико-математический факультет Воронежского университета, он два года работал учителем. В 1930 г. он стал аспирантом Института физики и математики АН СССР в Ленинграде и получил кандидатскую степень в 1935 г. Затем он стал научным сотрудником Физического института им. П.Н. Лебедева в Москве, где и работал в дальнейшем.

В 1932 г. под руководством академика С.И. Вавилова Черенков начал исследовать свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии, например излучения радиоактивных веществ. Ему удалось показать, что почти во всех случаях свет вызывался известными причинами, такими, как флуоресценция. При флуоресценции падающая энергия возбуждает атомы или молекулы до более высоких энергетических состояний (согласно квантовой механике, каждый атом или молекула обладает характерным множеством дискретных энергетических уровней), из которых они быстро возвращаются на более низкие энергетические уровни. Разность энергий более высокого и более низкого состояний выделяется в виде единицы излучения – кванта, частота которого пропорциональна энергии. Если частота принадлежит видимой области, то излучение проявляется как свет. Поскольку разности энергетических уровней атомов или молекул, через которые проходит возбужденное вещество, возвращаясь в самое низкое энергетическое состояние (основное состояние), обычно отличаются от энергии кванта падающего излучения, эмиссия из поглощающего вещества имеет другую частоту, чем у порождающего ее излучения. Обычно эти частоты ниже.

Однако Черенков обнаружил, что гамма-лучи (обладающие гораздо большей энергией и, следовательно, частотой, чем рентгеновские лучи), испускаемые радием, дают слабое голубое свечение в жидкости, которое не находило удовлетворительного объяснения. Это свечение отмечали и другие. За десятки лет до Черенкова его наблюдали Мария и Пьер Кюри, исследуя радиоактивность, но считалось, что это просто одно из многочисленных проявлений люминесценции. Черенков действовал очень методично. Он пользовался дважды дистиллированной водой, чтобы удалить все примеси, которые могли быть скрытыми источниками флуоресценции. Он 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.

Исследование существенно осложнялось из-за того, что у Черенкова не было источников радиации высокой энергии и чувствительных детекторов, которые позднее стали самым обычным оборудованием. Вместо этого ему пришлось пользоваться слабыми естественными радиоактивными материалами для получения гамма-лучей, которые давали едва заметное голубое свечение, а вместо детектора полагаться на собственное зрение, обострявшееся с помощью долгого пребывания в темноте. Тем не менее ему удалось убедительно показать, что голубое свечение представляет собой нечто экстраординарное.

Значительным открытием была необычная поляризация свечения. Свет представляет собой периодические колебания электрического и магнитного полей, напряженность которых возрастает и убывает по абсолютной величине и регулярно меняет направление в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Если направления полей ограничены особыми линиями в этой плоскости, как в случае отражения от плоскости, то говорят, что свет поляризован, но поляризация тем не менее перпендикулярна направлению распространения. В частности, если поляризация имеет место при флуоресценции, то свет, излучаемый возбужденным веществом, поляризуется под прямым углом к падающему лучу. Черенков обнаружил, что голубое свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей. Исследования, проведенные в 1936 г., показали также, что голубое свечение испускается не во всех направлениях, а распространяется вперед относительно падающих гамма-лучей и образует световой конус, ось которого совпадает с траекторией гамма-лучей. Это послужило ключевым фактором для его коллег, Ильи Франка и Игоря Тамма, создавших теорию, которая дала полное объяснение голубому свечению, ныне известному как излучение Черенкова (Вавилова – Черенкова в Советском Союзе).

Согласно этой теории, гамма-квант поглощается электроном в жидкости, в результате чего он вырывается из родительского атома. Подобное столкновение было описано Артуром X. Комптоном и носит название эффекта Комптона. Математическое описание такого эффекта очень похоже на описание соударений бильярдных шаров. Если возбуждающий луч обладает достаточно большой энергией, выбитый электрон вылетает с очень большой скоростью. Замечательной идеей Франка и Тамма было то, что излучение Черенкова возникает, когда электрон движется быстрее света. Других, по всей видимости, удерживал от подобного предположения фундаментальный постулат теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которому скорость частицы не может превышать скорости света. Однако подобное ограничение носит относительный характер и справедливо только для скорости света в вакууме. В веществах, подобных жидкостям или стеклу, свет движется с меньшей скоростью. В жидкостях электроны, выбитые из атомов, могут двигаться быстрее света, если падающие гамма-лучи обладают достаточной энергией.

Конус излучения Черенкова аналогичен волне, возникающей при движении лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде. Он также аналогичен ударной волне, которая появляется при переходе самолетом звукового барьера.

За эту работу Черенков получил степень доктора физико-математических наук в 1940 г. Вместе с Вавиловым, Таммом и Франком он получил Сталинскую (впоследствии переименованную в Государственную) премию СССР в 1946 г.

В 1958 г. вместе с Таммом и Франком Черенков был награжден Нобелевской премией по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи отметил, что «открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».

Место рождения: с. Новая Чигла Бобровского уезда Воронежской губернии

Семейное положение: женат на Марии Алексеевне Путинцевой (с 1931)

Деятельность и интересы: физическая оптика, ядерная физика, космические лучи, физика высоких энергий; теннис, лыжи, живопись, музыка, фотография

Выходец из крестьянской семьи. Отец Черенкова в 1930 году был «раскулачен», а в 1931-м осужден и отправлен в ссылку по обвинению в принадлежности к партии эсеров и в участии в «кулацкой» сходке 1930 года. В 1937-м отца вновь арестовали и в следующем году расстреляли за контрреволюционную агитацию. Еще факты

Образование, степени и звания

1935 , Институт Физики и математики АН СССР, Ленинград: кандидат физико-математических наук

1962-1990 , Москва

Работа

1928-1930 , Школа, Тамбовская обл., Козлов (ныне Мичуринск): преподаватель

1959-1990 , Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Москва: руководитель лаборатории фотомезонных процессов ФИАН

Открытия

В 1934 году открыл новое физическое явление: свечение жидкостей, вызванное заряженными частицами, которые движутся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в данной среде. Излучение было названо Черенковским излучением (излучением Вавилова-Черенкова), а собственно эффект - эффектом Вавилова-Черенкова. Черенковское излучение широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей. Применение черенковского излучения считается практически важным для контроля работы ядерных реакторов. Эффект Вавилова-Черенкова наблюдается на больших океанских глубинах: вследствие распада в океанской воде радиоактивных изотопов - в частности, калия-40 - вода светится.

В 1936 году открыл главное свойство нового излучения - его направленность по движению комптоновских электронов, или направленность под острым углом к направлению движения заряженной частицы.

В 1937 году после подробных количественных исследований свойств нового излучения и его природы высказал идею о возможном применении нового эффекта для определения скоростей заряженных частиц. В итоге появились черенковские счетчики (RICH, Ring Imaging Cherenkov detector), черенковские спектрометры. Применение черенковских детекторов в науке достигло таких масштабов, что Черенкова сегодня называют одним из самых цитируемых физиков мира. В 1955 году американские физики Оуэн Чемберлен и Эмилио Сегре с помощью детектора Черенкова открыли антипротон (отрицательное ядро водорода). Позднее детектор того же типа применялся в счетчике космических лучей на советском искусственном спутнике «Спутник-111».

Биография

Советский физик, более всего известен тем, что в 1934 году открыл и под руководством академика С.И. Вавилова исследовал ранее неизвестное физическое явление, впоследствии получившее название «эффект Вавилова-Черенкова», - свечение жидкостей, вызванное заряженными частицами, которые движутся со скоростью, превышающей световую. Однако не смог объяснить причину такого явления - это спустя три года сделали советские физики И.Е. Тамм и И.М. Франк. В 1958-м Черенков, Тамм и Франк получили за эту работу Нобелевскую премию по физике - «за открытие и истолкование эффекта Черенкова».

Помимо научной деятельности, активно преподавал. Много общался со студентами и в свою лабораторию в ФИАНе набирал лучших выпускников. В последние годы возглавлял Государственную экзаменационную комиссию в МИФИ. Лауреат Сталинской премии (1946, 1951), Государственной премии СССР (1977), Герой Социалистического Труда (1984) и т.д.

Почти всю жизнь П.А. Черенков работал в Физическом институте Академии наук (ФИАН) имени П.Н. Лебедева в Москве. Долгие годы руководил там Лабораторией мезонной физики. Был одним из создателей и руководителем Отдела физики высоких энергий в ФИАНе. Первый ускоритель ФИАНа – электронный синхротрон на энергию 250 МэВ – был завершен строительством в 1951 г., в его создании большая заслуга принадлежит П.А. Черенкову.

Павел Алексеевич Черенков внес большой вклад в развитие работ по ускорительной технике и подготовке кадров для этой новой области.

Более 30 лет (с 1948 по 1978 гг.) П.А. Черенков работал профессором кафедры электрофизических установок МИФИ. Он вел курс ядерной физики. Многим нашим преподавателям довелось трудиться с ним все эти годы.

При создании нашей кафедры направление ее деятельности по подготовке специалистов было задано областью, связанной с физикой и техникой ускорителей заряженных частиц, их разработкой, созданием и дальнейшим развитием. Научным центром этой проблемы в те годы был ФИАН. Там работал и П.А. Черенков, который, кстати, был редактором первой научной книги по ускорителям, выпущенной в СССР в 1948 году.

Почти всю жизнь П.А. Черенков работал в Физическом институте Академии наук (ФИАН) имени П.Н. Лебедева в Москве. Долгие годы руководил там Лабораторией мезонной физики. Был одним из создателей и руководителем Отдела физики высоких энергий в ФИАНе. Первый ускоритель ФИАНа – электронный синхротрон на энергию 250 МэВ – был завершен строительством в 1951 г., в его создании большая заслуга принадлежит П.А. Черенкову. Через 25 лет по инициативе П.А. Черенкова в Научном центре города Троицка был создан расширенный филиал ФИАНа, богато оснащенный ускорителями заряженных частиц, построен электронный синхротрон на энергию 2 ГэВ, а также разрезной микротрон с повышенной интенсивностью пучка частиц. П.А. Черенков руководил и работами по получению встречных электроно-позитронных пучков.

Павел Алексеевич много времени уделял кафедре и часто делился воспоминаниями о начале своей научной деятельности. Так, он рассказывал нам разные перипетии времен своей аспирантуры и открытия известного эффекта, когда работал в Физическом институте в Ленинграде. Тема его аспирантской работы – изучение люминесценции различных растворов под действием рентгеновских лучей. Научным руководителем был Сергей Иванович Вавилов, крупнейший специалист в области люминесценции, в то время президент АН СССР. При проведении исследований Павел Алексеевич, кроме ожидаемых эффектов, описание которых и составило кандидатскую диссертацию, обнаружил свечение в чистой воде при облучении воды лучами от препарата радия. Однако его научный руководитель сказал, что вода светиться не может и это просто ошибка эксперимента. Вот здесь и проявились у Павла Алексеевича качества выдающегося исследователя. Чтобы доказать свою правоту, он провел ряд тончайших экспериментов и не только подтвердил эффект, но и выявил его физическую причину, а также дал формулу, характеризующую направленность этого излучения. Чтобы зафиксировать излучение в воде, необходимо было предварительно проводить более часа в абсолютной темноте для повышения чувствительности глаз, так как других приборов для регистрации этого явления попросту не было.

В связи с этим хотелось бы сказать вот о чем. Судьба научных открытий разная. Некоторые, как эффект Мессбауэра, предсказываются теорией и тогда общество с нетерпением ждет экспериментального подтверждения. Некоторые, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, поражают своей необычностью, и поэтому их воспринимают на ура еще до создания теории. А некоторые, как эффект Черенкова, на первых порах отрицаются, в силу его невозможности. И поэтому Павлу Алексеевичу убедить всех, да еще при отсутствии соответствующей техники, было непросто. Это сейчас мы знаем, что аналогичные эффекты наблюдаются и в других областях (например, в авиации), а тогда, в силу того, что все знали, что движущийся по прямой электрон не излучает, доказать это было непросто.

Результаты экспериментальных исследований и физическая интерпретация убедили С.И. Вавилова. Он предложил назвать этот эффект именем Черенкова, а автору предоставил возможность защитить докторскую диссертацию, которая была успешно защищена в 1937 году.

Строгую теорию эффекта разработали И.Е. Тамм и И.М. Франк, которые теоретически вывели формулу, предложенную Черенковым.

По инициативе Совета ФИАНа П.А. Черенкову, И.Е. Тамму и И.М. Франку за открытие и исследования эффекта была присуждена Сталинская премия в 1946 году.

Работая профессором на нашей кафедре, П.А. Черенков много общался со студенческой молодежью и это позволяло ему отбирать для своей лаборатории в ФИАНе лучших выпускников. Такое «вливание» молодых в коллектив его лаборатории способствовало работоспособности и хорошей эффективности исследований, проводимых под его руководством.

Последние годы Павел Алексеевич возглавлял Государственную экзаменационную комиссию, принимавшую защиту дипломных проектов. Многие выпускники кафедры электрофизических установок МИФИ гордятся, что их дипломы подписаны знаменитым физиком нашего времени Павлом Алексеевичем Черенковым.

Так получилось, что Павел Алексеевич получил всемирное признание уже работая на нашей кафедре. В 1958 году он получил Нобелевскую премию, в 1964 г. был избран членом-корреспондентом и в 1970 г. – академиком.

Несколько слов о личных качествах Павла Алексеевича. Это был очень скромный человек, которого не испортила слава, и который хорошо умел отдыхать. Он любил теннис задолго до ельцинской эпохи и с удовольствием играл после напряженного дня работы. В наших сердцах Павел Алексеевич сохранится как выдающийся ученый, прекрасный педагог и скромный человек, умеющий хорошо трудиться и хорошо отдыхать.

Газета "Инженер-физик"

Черенков, Павел Алексеевич - Павел Алексеевич Черенков. ЧЕРЕНКОВ Павел Алексеевич (1904 90), российский физик. Открыл (под руководством С.И. Вавилова) и исследовал излучение, возникающее при движении быстрых электронов в веществе (излучение Черенкова Вавилова); этот эффект… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- [р. 15(28).7.1904, с. Н. Чигла, ныне Воронежской области], советский физик, академик АН СССР (1970; член корреспондент 1964). Член КПСС с 1946. Окончил Воронежский университет (1928). С 1930 работает в Физическом институте АН СССР. Профессор… … Большая советская энциклопедия

- (1904 90) российский физик, академик АН СССР (1970), Герой Социалистического Труда (1984). Экспериментально обнаружил новое оптическое явление (излучение Черенкова Вавилова). Труды по космическим лучам, ускорителям. Государственная премия СССР… … Большой Энциклопедический словарь

Павел Алексеевич Черенков Дата рождения: 28 июля 1904 Место рождения: село Новая Чигла, Воронежская область Дата смерти: 6 января 1990 Место смерти: Москва Гражданство … Википедия

- [р. 28 июля (10 авг.) 1904] сов. физик. Чл. КПСС с 1946. Окончил Воронеж. ун т (1928). С 1930 сотрудник Физич. ин та АН СССР. Работая в лаборатории С. И. Вавилова, в 1934 при исследовании люминесценции жидкостей под действием γ лучей радия… … Большая биографическая энциклопедия

- (1904 1990), физик, академик АН СССР (1970), Герой Социалистического Труда (1984). Экспериментально обнаружил новое оптическое явление (излучение Черенкова Вавилова). Труды по космическим лучам, ускорителям. Государственная премия СССР (1946,… … Энциклопедический словарь

- (1904, село Нижняя Чигла, ныне в Воронежской области, — 1990, Москва), физик, академик (1970), Герой Социалистического Труда (1984). Окончил Воронежский университет (1928), с 1930 работал в (в 1934 переведён из Ленинграда в Москву).… … Москва (энциклопедия)

- (1904 1990), советский физик, удостоен в 1958 (совместно с И.Е.Таммом и И. М. Франком) Нобелевской премии 1958 (совместно с И.Е.Таммом и И.М.Франком) за открытие и объяснение эффекта Черенкова. Родился 28 июля 1904 в селе Новая Чигла (ныне… … Энциклопедия Кольера

В 1928 году окончил Воронежский университет.

С 1930 года начал работать в Москве – в Физическом институте Академии наук СССР. С 1948 года – профессор Московского энергетического, а с 1951 года – Московского инженерно-физического института. Основные работы Черенкова посвящены физической оптике, ядерной физике, физике космических лучей, ускорительной технике.

С 1932 года Черенков работал под руководством академика С. И. Вавилова. Именно он предложил Черенкову тему исследования – люминесценцию растворов урановых солей под действием гамма-лучей. Он же предложил и метод, который сам до того использовал неоднократно. Как ни странно, «метод гашения» Вавилов вычитал в старинном мемуаре физика Ф. Мари «Новые открытия, касающиеся света».

«…Метод требовал тщательной тренировки, длительного пребывания в полной темноте, – писал физик В. Карцев в своей превосходной книге о физиках. – Каждый рабочий день Черенкова начинался с того, что он прятался в темной комнате и сидел там в кромешной тьме, привыкая к этой обстановке. Лишь после длительной адаптации, продолжавшейся иной раз несколько часов, Черенков подходил к приборам и начинал измерения. Начав облучать гамма-источником соли урана, он довольно быстро обнаружил странное явление: таинственный свет. Нужно сказать, что он вовсе не был первым, кто заметил это свечение. Его уже наблюдали в лаборатории Жолио-Кюри и отнесли за счет люминесценции примесей, имеющихся в каждом, даже весьма чистом растворе.

Черенков призвал руководителя.

Привыкнув к темноте, Вавилов увидел, как ему показалось, конус слабого синего света. Но это свечение совсем не было похоже на то, которое можно было наблюдать в растворах под действием, например, ультрафиолетовых лучей. Это не было и тем свечением, которое обычно бывает за счет, как выражался Сергей Иванович, «дохлых бактерий», то есть следов люминесцирующих веществ. П. А. Черенков вспоминал: «Не останавливаясь на деталях этого открытия, я хотел бы сказать, что оно могло осуществиться только в такой научной школе, как школа С. И. Вавилова, где были изучены и определены основные признаки люминесценции и где были разработаны строгие критерии различения люминесценции от других видов излучения. Не случайно поэтому, что даже в такой крупнейшей школе физиков, как парижская, прошли мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию. Я специально подчеркиваю это обстоятельство потому, что оно полнее и, как мне кажется, правильнее определяет ту выдающуюся роль, которую сыграл С. И. Вавилов в открытии нового эффекта».

Вавилов отверг люминесцентную природу свечения.

Во-первых, выяснилось, что оно направлено конусом вдоль оси гамма-излучения. Во-вторых, оно никак не укладывалось в те определения люминесценции, которые к тому времени были сформулированы Вавиловым. Ампулы с радием вызывали в растворе урановой соли свечение нового, неизвестного, типа. Интересней всего было то, что оно продолжалось и тогда, когда концентрация соли уменьшалась до совершенно гомеопатических доз. Более того, светилась чистая дистиллированная вода. При этом на интенсивность необычного свечения не оказывали влияния те вещества, которые обычно сильно гасили нормальную люминесценцию, такие, как йодистый калий и анилин. Спектральный состав свечения никак не зависел от состава жидкости.

Слухи о вновь обнаруженном свечении поползли по Москве и Ленинграду. И. М. Франк писал, что он очень хорошо помнит язвительные замечания по поводу того, что в ФИАНе занимаются изучением никому не нужного свечения неизвестно чего неизвестно где. «Не пробовали ли вы изучать в шляпе?» – ехидно спрашивали Черенкова незнакомые и знакомые физики.

Сообщение о новом открытии напечатали в «Докладах Академии наук СССР» в 1934 году.

Сообщений было, собственно, два.

Первое – об обнаружении явления – подписано П. А. Черенковым; Вавилов отказался от подписи, чтобы не осложнять Черенкову защиту его кандтидатской диссертации. Второе подписано Вавиловым – там дается описание эффекта и определенно указывается, что он никак не связан с люминесценцией, а вызывается свободными быстрыми электронами, образующимися при воздействии гамма-лучей на среду. Интересно, что Вавилов пишет о «синем» свечении. Это доказательство его богатой физической интуиции; цвет излучения в тех условиях обнаружить было невозможно.

Полностью эффект был объяснен лишь в 1937 году, когда два советских физика И. М. Франк и И. Е. Тамм разработали его теорию. Объяснение было совершенно необычным: действительно, как и утверждал Вавилов, это свечение вызывается электронами. Но не простыми, а такими, что движутся со скоростью, превышающей скорость света. Разумеется, речь идет о скорости распространения света в данной среде. Двигаясь быстрее этой скорости, электроны излучают электромагнитные волны. Возникает свечение Вавилова – Черенкова. Впоследствии, уже после войны (в 1958 году), и открыватели, и объяснители этого явления были удостоены Нобелевской премии. Нобелевскую премию получили П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. М. Франк. Вавилов к тому времени скончался, а Нобелевская премия, как известно, вручается только живым.

Докторскую диссертацию Черенков защитил все по тому же явлению. Одним из его оппонентов был академик Л. И. Мандельштам. Профессор С. М. Райский позже вспоминал: «Я сидел в столовой Мандельштамов, когда Леонид Исаакович закончил писать свой отзыв и вышел из кабинета. Он дал мне прочесть свой отзыв. Прочитав, я задал вопрос, почему в отзыве о диссертации П. А. Черенкова такое большое место занимает С. И. Вавилов? Леонид Исаакович ответил: „Роль Сергея Ивановича в открытии эффекта такова, что ее следует указывать всегда, когда идет речь об этом открытии“.

В 1947 году В. Л. Гинзбург теоретически показал, что с помощью явления Вавилова – Черенкова можно генерировать ультракороткие, миллиметровые и даже субмиллиметровые волны. Необычайно широкое применение приобрели счетчики Черенкова, принцип действия которых основан на регистрации атомных частиц за счет возникающего свечения. Этот тонкий метод исследования привел к блестящим открытиям нашего времени, в частности к открытию антипротона и антинейтрона – первых частиц антивещества, созданных на Земле.

В 1970 году Черенков был избран действительным членом Академии наук СССР.

«Первичное экспериментальное открытие обычно случайно. Именно поэтому его нельзя предвидеть и оно оказывается результатом случая. Такого рода счастливые случаи очень редки в жизни даже самого активного ученого. Поэтому их нельзя пропускать. Никогда не следует проходить мимо неожиданных и непонятных явлений, с которыми невзначай встречаешься в эксперименте».

Эти слова академика Семенова, несомненно, были хорошо понятны Черенкову.

Черенков внес значительный вклад в создание электронных ускорителей – синхротронов. В частности, он принимал деятельное участие в проектировании и сооружении синхротрона на 250 МэВ. За эту работу в 1952 году он получил Государственную премию. Изучал взаимодействие тормозного излучения с нуклонами и ядрами, фотоядерные и фотомезонные реакции. Еще одну государственную премию он получил в 1977 году за цикл работ по исследованию расщепления легких ядер гамма-квантами высоких энергий. В 1984 году удостоен звания Героя Социалистического труда.