Нобелови лауреати – 1958 година

Павел Алексеевич Черенков

28 юли 1904 г. – 6 януари 1990 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Иля Франк и Игор Там)

(За откриването и обяснението на ефекта на Черенков.)

Руският физик Павел Алексеевич Черенков е роден в Нова Чигла близо до Воронеж. Родителите му Алексей и Мария Черенкови са селяни. След като завършва през 1928 г. физико-математическия факултет на Воронежкия университет, Черенков работи две години като учител. През 1930 г. става аспирант в Института по физика и математика към АН на СССР в Ленинград и през 1935 г. получава кандидатска степен. След това става научен сътрудник във Физическия институт „П. Н. Лебедев“, където работи по-нататък.

През 1932 г. под ръководството на С. И. Вавилов Черенков започва да изследва светлината, възникваща в случаи, когато разтвори поглъщат излъчена висока енергия, от радиоактивни вещества например. Той успява да докаже, че почти във всички случаи светлината се предизвиква от причини, подобни на флуоресценцията. При флуоресценцията падащата енергия възбужда атомите или молекулите до по-високи енергетични състояния (според квантовата механика всеки атом или молекула притежава характерно множество дискретни енергетични равнища), от които те бързо се връщат на по-ниски. Разликата в енергиите на по-високо и на по-ниско равнище се отделя във вид на единици излъчване - кванти, чиято честота е пропорционална на енергията. Ако честотата е от видимата област, излъчването се проявява като светлина. Тъй като разликата на енергетичните равнища на атомите или молекулите, през които преминава възбуденото вещество, връщайки се в най-ниското си енергетично състояние (основно състояние), обикновено се различава от енергията на кванта на падащото излъчване, емисията от поглъщащото вещество има различна честота от пораждащото я излъчване. Обикновено тази честота е по-ниска.

Но Черенков открива, че гама-лъчите (притежаващи много по-голяма енергия и следователно много по-голяма честота от рентгеновите лъчи), изпускани от радия, водят да слабо синьо светене в течности, което не намира удовлетворително обяснение. Подобно светене отбелязват и други изследователи. Десетки години преди Черенков то е наблюдавано от Мария и Пиер Кюри, когато изследват радиоактивността, но се смята, че това е просто една от многото прояви на луминесценцията. Черенкщов действа много методично. Той използва два пъти дестилирана вода, за да премахне всички примеси, които биха могли да бъдат скрити източници на луминесценция. Прилага нагряване и добавя химически вещества като калиев йодид и сребърен нитрат, които намаляват яркостта и променят другите характеристики на обикновената флуоресценция, като винаги прави опитите с контролни разтвори. Светлината в контролните разтвори се променя, но синьото светене остава неизменно.

Изследването се усложнява съществено от това, че Черенков няма източници на радиация с висока енергия и чувствителни детектори, които по-късно стават най-обикновено оборудване. Вместо това му се налага да използва слаби естествени радиоактивни материали за получаване на гама-лъчи, които дават едва забележимо синьо светене, а вместо детектор разчита на собственото си зрение, изострено след дълго стоене на тъмно. Въпреки това той успява да докаже убедително, че синьото светене е нещо извънредно.

Значително откритие е необичайната поляризация на светенето. Светлината представлява периодични колебания на електрическо и магнитното поле, чието напрежение нараства и намалява и променя периодично посоката си в равнина, перпендикулярна на посоката на движение. Ако посоките на полетата са ограничени в тази равнина, както в случая с отражението от равнината, се казва, че светлината е поляризирана, но поляризацията въпреки това е перпендикулярна на посоката на разпространението. По специално, ако поляризацията е налична при флуоресценцията, светлината, излъчвана от възбуденото вещество, се поляризира под прав ъгъл към падащия лъч. Черенков открива, че синьото светене е поляризирано паралелно, а не перпендикулярно на посоката на гама-лъчите. Изследванията, проведени от Черенков през 1936 г., показват също така, че синьото светене не се излъчва във всички посоки, а се разпространява напред по отношение на падащите гама-лъчи и образува светлинен конус, чиято ос съвпада с траекторията на гама-лъчите. Това става ключов фактор за неговите колеги Иля Франк и Игор Там, които създават теория, даваща пълно обяснение на синьото светене, известно днес като излъчване на Черенков (на Вавилов-Черенков - в Съветския съюз).

Според тази теория един гама-квант се поглъща от електрон в течността, поради което електронът се изтръгва от своя атом. Подобен сблъсък е описан от Артър Х. Комптън и се нарича ефект на Комптън. Математическото описание на този ефект прилича много на описанието на удрящи се взаимно билярдни топки. Ако възбуждащият лъч притежава достатъчно голяма енергия, избитият електрон излита с много голяма скорост. Забележителна идея на Франк и Там е, че излъчването на Черенков се появява, когато електронът се движи по-бързо от светлината. Други изследователи, се въздържат от подобно предположение може би заради фундаменталния постулат от теорията на относителността на Алберт Айнщайн, според който скоростта на частиците не може да надхвърля скоростта на светлината. Но подобно ограничение има относителен характер и се отнася само за скоростта на светлината във вакуум. Във вещества като течности и стъкло светлината се движи с по-малка скорост. В течности електроните, избити от атомите, могат да се движат по-бързо от светлината, ако падащите гама-лъчи имат достатъчно енергия.

Конусът на излъчването на Черенков е аналогичен на вълната, появяваща се при движението на лодка със скорост, надхвърляща скоростта на разпространението на вълните във водата. Той също така е аналогичен на ударната вълна, която се появява, когато самолет преминава звуковата бариера.

За своите изследвания Черенков става през 1940 г. доктор на физико-математическите науки. Заедно с Вавилов, Там и Франк той получава през 1946 г. Сталинска (по-късно преименувана на Държавна) награда.

Коментирайки първото награждаване на съветски учени с Нобелова награда за физика (Черенков, Франк, Там), вестник „Ню Йорк таймс“ отбелязва, че то свидетелства за „несъмненото международно признание за високото качество на експерименталните и теоретическите изследвания в областта на физиката, провеждани в Съветския съюз“. Това признание има ироничен характер (поне отчасти), защото по времето на оригиналните изследвания на Черенков неговите примитивни методи правят за много физици съмнителни резултатите от тези изследвания.

В продължение на редица години теорията за излъчването на Черенков, запазвайки фундаменталното си значение, няма практически приложения. Но по-късно са създадени броячи на Черенков (основаващи се на откриването на излъчването на Черенков) за измерване на скоростта на единични високоскоростни частици, като тези, които се образуват в ускорителите или в космическите лъчи. Определението на скоростта се основава на това, че колкото по-бързо се движат частиците, толкова по-тесен става конусът на Черенков. Тъй като излъчването на Черенков има енергетичен праг и представлява кратки импулси, с помощта на брояча на Черенков могат да се пресеят частиците с ниски скорости и да се различат две частици, постъпващи почти едновременно. При регистрацията на излъчването постъпва също така информация за масата и енергията на частиците. Такъв детектор е използван при откриването на антипротона (отрицателното водородно ядро) от Оуен Чембърлейн и Емилио Сегре през 1955 г.; по-късно той се използва и в брояча за космически лъчи на съветския изкуствен спътник „Спутник-111“.

Дълги години Черенков е началник на отдел в института „Лебедев“, след войната започва да проучва космическите лъчи и участва в създаването на електронни ускорители. За участието му в разработката и създаването на синхотрона към института „Лебедев“ е награден през 1951 г. с втора Сталинска (Държавна) награда. През 1959 г. Черенков става ръководител на институтската лаборатория за фотомезонни процеси, където прави опити върху фоторазпадането на хелия и на други леки ядра и върху фотопродукцията на атомните частици.

Освен че се занимава с научно-изследователската си дейност, Черенков, от 1944 година нататък, преподава дълги години физика в Московския институт по енергетика, а по-късно в Московския инженерно-физически институт. През 1953 г. става професор по физика.

През 1930 г. Черенков се жени за Мария Путинцевая, дъщеря на професор по руска литература. Семейството има две деца.

Черенков е избран за член-кореспондент на АН на СССР през 1964 г. и за академик през 1970 г. Той е три пъти лауреат на Държавна награда на СССР, има два ордена Ленин, два ордена Трудово червено знаме и други държавни награди.

Превод от руски: Павел Б. Николов