Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики
Долгие часы проводил П. А. Черенков в абсолютной темноте, так как свет, испускаемый раствором, был чрезвычайна слабым. Неожиданно ему удалось обнаружить, что, помимо хорошо известного свечения уранила, в растворах возникает слабое видимое синее свечение. Это свечение было настолько слабым, что, заметив его, большинство экспериментаторов не придало бы ему никакого значения. Ведь его возникновение так легко было объяснить побочными эффектами, наличием примесей и т. п. Но удивительно тонкое физическое чутье подсказало С. И. Вавилову и П. А. Черенкову, что здесь что-то не так.
Огромное различие в энергиях между поглощаемым γ-излучением и испускаемым синим светом, казалось, с несомненностью свидетельствовало о том, что это свечение является люминесценцией, вызываемой какими-нибудь побочными причинами. Однако исследовав, как долго сохраняется это свечение после прекращения возбуждения, и установив, что длительность его близка к 10−15 сек, С. И. Вавилов сразу же пришел к выводу, что это не люминесценция, а совершенно новое оптическое явление.
Дальнейшее исследование свойств этого свечения, произведенное П. А. Черенковым, подтвердило правильность заключения С. И. Вавилова. Оказалось, что подобное синее свечение можно наблюдать не только в растворах ураниловых солей, но и в любой прозрачной жидкости (воде, глицерине, серной, кислоте и т. д.) и даже в прозрачных твердых телах, облучаемых узким параллельным пучком γ-лучей. Интенсивность свечения при одинаковых условиях возбуждения практически постоянна у всех этих веществ. Энергия в спектре синего свечения возрастает в сторону коротких волн. Излучение поляризовано так, что направление электрического вектора световых колебаний совпадает с направлением распространения пучка γ-лучей. Свечение распространяется только вперед, в виде конуса, ось которого совпадает с пучком γ-лучей, а интенсивность свечения убывает по направлению к оси.
В первом же сообщении об этом новом свечении С. И. Вавилов и П. А. Черенков правильно указали на то, что оно возникает в результате торможения быстрых электронов, выбиваемых γ-лучами из молекул облучаемого вещества. Это предположение было проверено следующим образом: так как магнитное поле отклоняет электроны, то свечение, если оно возникает при торможении электронов, должно отклоняться магнитным полем. И действительно, при наложении магнитного поля свечение отклонялось в соответствующую сторону.
Полная теория этого явления, названного «эффектом или излучением Черенкова», была построена учеником С. И. Вавилова членом-корреспондентом АН СССР И. М. Франком совместно с академиком И. Е. Таммом.
Она оказалась совершенно неожиданной и удивительно простой. Свет испускают электроны, которые движутся быстрее света! Но ведь теория относительности убедительно свидетельствует о полной невозможности такого движения. И все-таки оказывается, что можно обогнать свет. Все дело в том, что в теории относительности предельной скоростью является скорость света в пустоте, равная 300 000 км/сек. Если же свет распространяется в какой-либо среде, то его скорость оказывается меньше в n раз, где n — показатель преломления среды. Например, в плексигласе она равна примерно 200 000 км/сек. Так как энергия γ-лучей велика, они сообщают выбиваемым ими электронам скорости, близкие к скорости света в пустоте. Поэтому электроны как бы обгоняют испускаемый ими свет, который распространяется в виде конуса, следующего за движущимися электронами. Отсюда происходит и другое название этого явления — эффект «сверхсветового» электрона. Излучение Черенкова оказалось электромагнитным аналогом «головной волны», возникающей, например, при движении в воздухе снаряда или самолета, скорости которых превышают скорость звука.
Впоследствии выяснилось, что это свечение было замечено еще Пьером Кюри и Марией Кюри-Склодовской, но они считали его обычной слабой люминесценцией. Только благодаря применению предложенного Вавиловым критерия длительности удалось выявить и исследовать это удивительное явление.
Сейчас его широко используют в специальных счетчиках быстрых заряженных частиц, так называемых «черенковских» счетчиках. Такой счетчик состоит из чистой жидкости или прозрачного твердого тела, соединенных с фотоумножителем, регистрирующим каждую отдельную «сверхсветовую» частицу. Достоинством черенковского счетчика является то, что он регистрирует не любые заряженные частицы, а лишь те, у которых скорость больше скорости света в данной среде. Кроме того, яркость вспышки зависит от величины заряда частицы. Поэтому подбирая подходящую среду, можно выделять частицы с определенным интервалом энергии или величиной заряда, Такие счетчики регулярно устанавливаются на шутниках я космических ракетах для изучения космических лучей.
Как уже говорилось в введении, за открытие и исследование эффекта сверхсветового электрона члену-корреспонденту АН СССР П. А. Черенкову совместно с академиком И. Е. Таммом и членом-корреспондентом АН СССР И. М. Франком в 1958 г. (академик С. И. Вавилов к этому времени уже умер) была присуждена Нобелевская премия по физике.
МОЛЕКУЛЯРНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
Физика долго не могла дать правильного ответа на такой, казалось бы, простой вопрос: «А почему небо голубое?» Даже Ньютон, посвятивший этой проблеме много лет упорного труда, так и не сумел ее решить. Первым удовлетворительную теорию рассеяния света в атмосфере создал другой английский физик — Рэлей. Предположив, что свет рассеивают молекулы воздуха, он получил хорошее совпадение с результатами наблюдений. Интенсивность рассеянного света по формуле Рэлея убывает пропорционально четвертой степени длины волны. Поэтому среда как бы перераспределяет спектр падающего света, пропуская преимущественно красные лучи и рассеивая преимущественно голубые, как это и происходит в действительности. Кроме того, число молекул в кубическом сантиметре воздуха, рассчитанное по теории Рэлея, оказалось весьма близким к числу Лошмидта, определенному многими другими способами.
Казалось бы, все ясно, проблема полностью решена. И только один физик, академик Леонид Исаакович Мандельштам, не согласился с этой интерпретацией. Он доказал, что в силу весьма большой плотности молекул воздуха они сами по себе не могут служить причиной, ответственной за голубой цвет неба. Истинной причиной, порождающей этот эффект, являются флуктуации плотности, т. е. случайные изменения концентрации молекул в единице объема, происходящие под влиянием теплового движения. Л. И. Мандельштам показал, что формула Рэлея верна, а физическая сущность картины рассеяния света совершенно иная. Эта работа была опубликована еще в 1907 г. Она явилась одной из первых работ по исследованию флуктуаций, породивших статистическую физику.
Л. И. Мандельштам был первым физиком, обратившим внимание на то, что флуктуации давления, температуры, концентрации или ориентации (если молекулы анизотропны) должны накладывать свой отпечаток на падающий свет, как говорят, модулировать его. В работах, начатых еще в 1908 г., он обосновал необходимость рассеяния света на флуктуациях плотности, приводящего к появлению в рассеянном свете, помимо падающей длины волны λ0, еще двух соседних волн λ1 и λ2, смещенных в оба конца спектра на одинаковую величину ∆λ(∆λ=λ1−λ0=λ0−λ2). Этот дублет Мандельштама — Бриллюэна[4], весьма близко примыкающий к основной линии, был впервые обнаружен членом-корреспондентом АН СССР Е. Ф. Гроссом.
Триумфом оптических исследований академика Л. И. Мандельштама было открытие совместно с академиком Г. С. Ландсбергом комбинационного рассеяния света.
В 1927 г. ими был поставлен следующий эксперимент.
Монохроматический свет, полученный из ртутной лампы с помощью фильтра, падал на кристалл максимально чистого и однородного кварца. Свет, рассеянный этим кристаллом, анализировался спектрографом. Одна из основных трудностей эксперимента состояла в том, что из общего количества световой энергии, поступающей в вещество, рассеивается всего лишь около одной десятимиллиардной доли. Кроме того, почти весь рассеянный свет является первичным излучением, отраженным от различных дефектов кристалла. Чтобы иметь возможность выделить какие-то новые длины волн в составе рассеянного света, надо было практически полностью избавиться от отраженного света. С этой целью Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг пропускали рассеянный свет через пары ртути, которые поглощали отраженный свет с длиной волны такой же, как у падающего на кристалл света.
После чрезвычайно долгой экспозиции им удалось заметить слабые спектральные линии на равных расстояниях от первичной.
