50 лет советской физики

Прекрасным примером практической важности определения люминесценции, данного С. И. Вавиловым, является замечательное открытие эффекта «сверхсветового» электрона. Желая изучить люминесценцию растворов, возникающую под действием отличных от света источников возбуждения, С. И. Вавилов предложил в 1934 г. своему аспиранту П. А. Черенкову (ныне члену-корреспонденту АН СССР) исследовать люминесценцию растворов ураниловых солей, возбуждаемую γ-излучением радиоактивных веществ.

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.