МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИЗУЧЕНИЯ, ЛЕЖАЩЕГО В ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА

ВВЕДЕНИЕ

С самого начала открытия П.А.Черенковым в 1934 г. необычного, едва заметного сине-фиолетового свечения в жидких средах, вызванного гамма-лучами от препарата радия, была установлена кратковременность его возникновения, имевшая прямое отношение к свойствам первичного излучения. По предложению С.И.Вавилова в жидкий радиатор добавлялись различные гасители люминесценции. Из-за отсутствия эффекта тушения наблюдаемого излучения был сделан вывод, что длительность этого свечения не превышает десяти пикосекунд, и, следовательно, обнаруженное излучение имеет иную физическую природу [1, 2]. С.И.Вавилов высказал мнение, что это слабое свечение жидкости вызвано комптоновскими электронами, образованными 7-лучами. Он также подчеркнул универсальность обнаруженного явления, заключающегося в равенстве интенсивности свечения для различных по химическому составу веществ. Следовательно, и лежащее в основе первичное излучение должно иметь универсальную природу. Наиболее вероятной причиной 7-свечения Вавилов считал излучение при торможении комптонов-ских электронов. “Электроны, освободившиеся внутри плотной жидкости, — писал он, — могут заметно тормозиться уже на ничтожных расстояниях, что должно сопровождаться излучением непрерывного спектра” [2, с.458]. Правда, теория не подтверждала существования подобного излучения в области частот видимого света, непосредственно испускаемого комптоновскими электронами. Однако и в следующем своем выступлении в Академии наук в 1935 г. Вавилов продолжал настаивать на тормозном механизме обнаруженного свечения. На самом деле, более оправданным было бы предположение, что фотоны видимого спектра испускаются вторичными электронами, возникшими от ионизации атомов среды первичными комптоновскими электронами. Ърмозясь в среде, такие электроны ионизации могли бы часть своей энергии выделять в виде света. Но такое более естественное предположение вообще не обсуждалось.

Доклад С.И.Вавилова в Академии наук, стенограмма которого была опубликована в журнале [3], интересен еще и тем, что в нем упоминалось о французском ученом Малле, который в 1926-1929 гг. наблюдал подобное же свечение в прозрачных жидкостях. “Малле, — отметил в своем докладе Вавилов, — располагал очень сильным препаратом радия и очень светосильным спектрографом, позволившим ему сделать спектральные снимки. В результате опытов Малле оказалось, что спектр свечения простирается далеко в ультрафиолетовую область. Во всяком случае для воды Малле проследил его по крайней мере до 2500 А” [3, с.131]. К этому следует добавить, что Малле в указанные выше годы опубликовал три работы [4] и что при измерении спектра им был установлен рост интенсивности с увеличением частоты свечения. Заметим, что эта важнейшая характеристика обнаруженного свечения имеет прямое отношение к обсуждаемому здесь первичному* микромеханизму свечения жидкостей под действием гамма-лучей. Этот вывод не был, однако, сделан ни в первые годы исследования, ни в последующие годы, когда считалось, что обнаруженное свечение получило исчерпывающее теоретическое объяснение. И установление этого обстоятельства послужило одной из причин написания данного обзора. Пока же лишь отметим, что наш вывод об отношении спектра свечения непосредственно к самому первичному механизму излучения имеет вполне очевидное экспериментальное обоснование в его независимости ни от величины скорости движения первичной частицы, ни от вещества прозрачных сред, в которых возникает это свечение.

Вавилов считал, что эти наблюдения французского ученого существенно дополняют обсуждаемое в его докладе свечение, обнаруженное Черенковым, которое вызвано гамма-лучами и не поддается тушению. В связи с этим утверждением отметим, что Малле действительно на пять лет раньше получил более точные сведения о свечении прозрачных жидкостей под действием гамма-лучей. Но рядом с ним не было такого специалиста по тушению люминесцентного излучения, как С.И.Вавилов*, который посоветовал бы ему квалифицированно провести решающий эксперимент по гашению люминесценции и тем самым доказать необычность природы изучаемого явления. Хотя Малле и высказывал предположение о загадочной природе обнаруженного им свечения, он все же не имел экспериментального доказательства для отклонения люминесцентной природы наблюдаемого излучения. А ведь во Франции издавна были специалисты по люминесцентному излучению**.

** Хорошо известно, что в середине XIX века Александр Беккерель выполнил широкий цикл исследований по фосфоресценции, а созданная им в Париже специальная лаборатория на кафедре физики при Музее естественной истории известна была своей богатой коллекцией различных люминофоров. Именно в этой лаборатории его сын Анри Беккерель в 1896 г. занялся проверкой гипотезы А.Пуанкаре о возможном испускании люминофорами только что открытых В.Рентгеном проникающих лучей. Это исследование привело, как известно, к неожиданному, выдающемуся открытию радиоактивности. И вот в ЗО-е годы двадцатого столетия исследования, связанные с люминесценцией, снова привели к неожиданному открытию совершенно загадочного явления. С.И.Вавилов поручил своему аспиранту П.А.Черенкову исследовать свечение люминофоров при облучении гамма-лучами радия, чтобы затем сравнить его с известным свечением того же люминофора при воздействии на него ультрафиолетового света. Аспирант же начал порученное исследование, естественно, с того, что перед растворением люминесцирующей соли для проверки чистоты самого растворителя облучил его гамма-лучами и после продолжительного и тщательного наблюдения обнаружил очень слабое синее свечение самого растворителя. Конечно, вначале его приняли за свидетельство загрязнения растворителя какой-то неизвестной слаболюминесцирующей солью. Однако сомнения в этом объяснении появились, когда такое же слабое синее свечение было обнаружено и во всех других жидкостях, а было испытано 15 различных растворителей. Почти во всех жидкостях наблюдалась примерно одинаковая интенсивность загадочного излучения и лишь в серной кислоте и в четыреххлористом углероде его интенсивность возрастала в два раза. Вот после этого СИ. Вавиловым и был предложен решающий эксперимент с сильными гасителями люминесценции, позволивший окончательно доказать, что обнаруженное свечение имеет совершенно новую физическую природу, которую предстояло еще установить на основе дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

О дальнейших исследованиях обнаруженного свечения Черенков сообщил в 1936 г. [6]. Ампула с жидкостью помещалась в магнитное поле напряженностью 9,5 кГс, а измерения яркости свечения производились при трех положениях источника гамма-лучей. Наблюдалось изменение яркости свечения в четыре раза, что позволило сделать вывод о том, что направление излучения в основном совпадает с направлением вылета комптоновских электронов. Автор заключает свое исследование следующим утверждением: “Все вышеизложенные факты позволяют с несомненностью заключить, что в основе механизма 7-излучения лежит электромагнитное торможение электронов, движущихся в жидкости” [6, с.416]. Но, несмотря на ошибочность заключительного вывода, сами установленные факты о направленности свечения, безусловно, сыграли важную роль в установлении основного свойства обнаруженного свечения.

В следующем 1937 г. появилась работа И.Е. Тамма и И. М. Франка [7], в которой использовались результаты дополнительных исследований П. А. Черенкова и давалось объяснение эффекта Вавилова-Черенкова. Авторы прежде всего отметили, что гипотеза о тормозном излучении комптоновских электронов не может быть принята, поскольку в видимой области спектра она дает на четыре порядка меньше наблюдаемой интенсивности света. Затем авторы сформулировали следующее основное положение своего объяснения, выделив в нем курсивом главную часть: “Это явление может быть, однако, объяснено как качественно, так и количественно, если принять во внимание, что электрон, движущийся в среде, излучает свет даже при равномерном движении, если только его скорость превышает скорость света в этой среде” [7, с. 107]. В этом первом теоретическом исследовании нового физического явления были также четко установлены и другие общие особенности излучения, такие как его строгая направленность и определенный порог возникновения. И, надо сказать, выявлению этих важных общих особенностей процесса содействовала, в первую очередь, идеализация проведенного авторами рассмотрения. Тж, авторы рассмотрели процесс излучения при постоянной скорости движения первичного электрона в бесконечной однородной оптической среде. Именно это нереальное допущение позволило авторам наиболее просто и убедительно продемонстрировать, что для рассматриваемого излучения в среде вовсе не требуется ускорения первичной заряженной частицы.

Усвоив этот необычный факт, находившийся (для случая движения в среде) лишь в кажущемся противоречии с ранее установленными законами, можно было затем учесть и реальные условия движения в тормозящей среде. Это приведет к постепенному уменьшению интенсивности излучения, а также к постепенному уменьшению угла излучения, а затем к более резкому изменению и самого направления излучения из-за возрастания рассеяния первичной частицы, и, наконец, само свечение должно совсем прекратиться, когда энергия первичного электрона станет ниже порога излучения. Такие отклонения от идеальной картины процесса особенно резко проявляются как раз для свечения, возбуждаемого комптоновскими электронами. И из этого единственного примера, которым располагали тогда ученые, пришлось исходить им в своем построении идеальной теоретической картины совершенно нового физического явления. Такая идеализация оправданна, поскольку она обнажает истинные глубокие аспекты нового явления. Ее не следует путать с упрощениями, которые уводят от проникновения в суть явления. И такой пример уклонения от более глубокого понимания сути явления мы находим в той же статье [7].

Стремясь скорейшим путем получить объяснение макроскопической картины явления, Имм и Франк сознательно уклонились от выяснения микроскопического механизма первичного излучения, лежащего в основе эффекта Вавилова-Черенкова. Судя по воспоминаниям И.М.Франка [8, 30], именно от него в большей степени исходила инициатива не углубляться в микроскопическую картину явления. И действительно, взятый авторами курс на построение теории лишь макроскопической стороны явления позволил им миновать трудности выявления микроскопического обоснования для первичного излучения, лежащего в самой основе черенковского излучения. Такой путь вполне оправдан для построения первого теоретического описания этого нового явления. Создателям макроскопической теории удалось успешно объяснить все известные тогда экспериментальные факты о загадочном свечении жидкостей под действием гамма-лучей и предсказать новый эффект — излучение света под строго определенным углом к направлению движения первичного электрона, возбуждающего это свечение.

Но, к сожалению, эти успехи первого теоретического описания черенковского излучения и в последующих теоретических исследованиях способствовали уклонению от выяснения причин возникновения первичного излучения. Так, например, в 1939 г. И. Е. Тамм опубликовал новое теоретическое исследование [9], в котором им был создан важный формализм для описания черенковского излучения, вызванного релятивистской частицей на отрезке конечной длины. По интересующему нас вопросу в конце введения Имм сделал следующее важнейшее утверждение: “С точки зрения микроскопической теории рассматриваемое излучение не испускается непосредственно электроном, а имеет своей причиной когерентные колебания молекул среды, возбуждаемых электроном. Мы, однако, не входим здесь в микроскопическое рассмотрение проблемы” [10, с.79]. Казалось бы, после такого конкретного и глубоко содержательного указания шефа сотрудникам теоретического отдела ФИАН следовало бы непосредственно заняться выяснением механизма возбуждения колебаний в молекуле или хотя бы усвоить категорическое утверждение шефа, что “рассматриваемое излучение не испускается непосредственно электроном”. Но никто из последователей Тамма даже не обратил внимания на столь важное указание, зато они приняли к безусловному исполнению в своих исследованиях его, кстати, не совсем верное высказывание: “...не входим здесь в микроскопическое рассмотрение проблемы”.

На самом же деле уже в первой их статье приводится утверждение о том, что поле движущегося в среде электрона “можно рассматривать как результат суперпозиции волн запаздывающего потенциала, непрерывно излучаемых электроном и распространяющихся со скоростью с/п” [7, с.68]. Мы процитировали эту фразу, поскольку она содержит единственное в данной статье утверждение, явно относящееся к интересующему нас первичному излучению. История возникновения такого подхода явно связана с работой Вильямса (1935 г.). Как вспоминает сам И. М. Франк в своей книге [8, с.29], его внимание на статью Вильямса обратил Д. В. Скобельцын. В этой статье обосновывался метод, который позднее стали называть методом псевдофотонов. Этот метод состоял в разложении поля движущейся в среде частицы в непрерывный спектр частот, и затем учитывалось взаимодействие каждой составляющей поля с атомами среды, колебания в которых и становились, фактически, источником расходящихся волн. “Следуя Вильямсу, — пишет И. М. Франк, — для этого требовалось найти малое взаимодействие поля частицы с атомами и ядрами, расположенными вдоль ее пути, колебания которых и являются источниками волн” [8, с.29]. По поводу же попыток поиска “механизма такой трансформации поля частицы в расходящиеся волны” Франк далее почти правильно замечает: “Говоря современным языком, это была попытка построить микроскопическую теорию эффекта Вавилова-Черенкова, в чем не было надобности” [8, с.30].

Мы, естественно, не согласны лишь с последними словами автора — “в чем не было надобности”. Действительно, формальный учет такой трансформации поля движущейся в среде частицы в расходящиеся волны — есть необходимый начальный этап на пути к построению микроскопической теории этого эффекта, в котором лишь постулируется факт испускания атомами расходящихся волн. ^гЕория же микропроцесса должна учесть взаимодействие волны с электронами атома и получить спектральное распределение генерируемых волн, которое, как уже выше было особо отмечено, не зависит ни от скорости частицы, ни от вещества радиатора. И это придает фундаментальное значение как экспериментальному исследованию, так и теоретическому обоснованию спектра излучения, открытого Вавиловым и Черенковым.

Однако вопреки утверждению авторов [7] о том, что они в этой работе сознательно уклонились от выяснения микромеханизма, лежащего в основе черенковского излучения, они на самом деле в той же работе использовали правильный спектр излучения при вычислении полной энергии излучения. Следовательно, Имм и Франк использовали в своих расчетах величины, непосредственно связанные с микромеханизмом явления, не отдавая себе в этом отчета. Выяснение этого недоразумения и послужило основным поводом для написания данного обзора. Соответственно, мы далее будем разъяснять только эту скрытую связь с микромеханизмом явления, оставляя в стороне уже отмеченные здесь важные достижения в установлении макроскопических свойств черенковского излучения. Другим мотивом написания обзора стало краткое освещение результатов исследований новых свойств черенковского излучения, проведенных на уникальном пучке релятивистских ионов свинца в ЦЕРН.