Излучение Вавилова-Черенкова: что это за явление, как оно возникает и для чего используется

Свечение Вавилова-Черенкова создается, когда какая-либо заряженная частица, например, электрон, на высокой скорости входит в прозрачную среду. Частица продолжает испускать свечение, пока ее скорость не станет меньше фазовой скорости света в среде. Дело в том, что изначально скорость частицы выше фазовой скорости света в среде, в которую она попадает.

В сентябре 1932 года Сергея Ивановича Вавилова назначили научным руководителем Государственного оптического института и главой физического отдела Физико-математического института Академии наук СССР. Там вместе со своими аспирантами он исследовал физику атомного ядра. Одним из выдающихся студентов, исследования которого очень заинтересовали ученого, был аспирант Черенков.

Во время очередных измерений Черенков заметил необычное свечение, которое по своей природе не было похоже на люминесценцию. Так как явление было неизвестным, в статьях о его открытии оно обозначалось как «излучение Вавилова-Черенкова». При этом Черенков в своем исследовании больше обращал внимание на практический аспект и описывал процесс и результаты опытов, а Вавилов размышлял о теоретической интерпретации излучения. Так, он писал, что неизвестное явление могло быть вызвано движением не атомов, а электронов в среде.

Объяснить излучение Вавилова-Черенкова смогли советские физики Игорь Тамм и Илья Франк. В своих исследованиях, опубликованных в 1937 году, они объяснили эффект равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц среды со скоростями, превышающими скорость света в конкретной среде. Через 13 лет ученые смогли запечатлеть этот эффект на цветной фотографии.

Тогда же, в 1937 году, редакция американского научного журнала Physical Review опубликовала заметку Черенкова с объяснением механизма работы излучения Вавилова-Черенкова.

Через 9 лет после того, как эффект был объяснен, в 1946 году, Сергей Вавилов, Игорь Тамм, Илья Франк и Павел Черенков были награждены главным госзнаком научного признания – Сталинской премией I степени. Позже, в 1958 году за открытие ученых наградили Нобелевской премии, однако ее физики получали уже втроем – Вавилова не стало в 1951-м.

Как такое может быть, спросите вы. Все дело в том, что скорость света во всех средах разная. И чем плотнее среда, тем ниже эта величина. Поэтому то значение скорости света, которое мы знаем, характерно только для глубокого вакуума, в воде же свет движется гораздо медленнее. Поэтому некоторые высокоэнергетичные частицы могут превышать эту скорость, входя в плотную среду.

Возникновение черенковского излучения похоже на возникновение ударной волны — конуса Маха — при преодолении самолетов звукового барьера. Только в данном случае фронт волны состоит не из молекул воздуха, а из квантов света.

Еще одна важная особенность свечения Вавилова-Черенкова заключается в уменьшении скорости и кинетической энергии частиц. Именно благодаря этому эффекту даже на дне океана есть проблески света. Ученые считают, что большие глаза у глубоководных организмов как раз нужны именно для того, чтобы улавливать это тусклое излучение.

Излучение Вавилова-Черенкова ученые ранее использовали для визуализации онкологических патологий. Также оно применяется для детектирования нейтрино. Эти частицы, хоть и не имеют заряда, но могут выбивать заряженные отрицательно электроны с оболочек атомов в прозрачной среде. А эти выбитые электроны, вылетающие с орбит на высокой скорости, создают черенковское излучение.

Кроме того, свечение Вавилова-Черенкова активно используется в исследовательских детекторах – с помощью него удается определить энергию, скорость и направление элементарных частиц космических лучей. В астрономии оно помогает заниматься исследованием гамма-излучения от разных астрономических объектов и коротковолнового гамма-излучения, которое не могут зарегистрировать напрямую космические гамма-обсерватории.

В медицине свечение Вавилова-Черенкова используется для лучевой терапии – оно помогает с высокой точность разрушать опухоль, не повреждая здоровые клетки.