Эффект Вавилова-Черенкова: что нужно знать?

В научно-фантастических фильмах ядерные реакторы и ядерные материалы всегда светятся синим светом. Например, в первом фильме про «Железного человека», герой Тони Старка в исполнении Роберта-Дауни младшего собирает небольшой ядерный реактор, питающий костюм. Интересно, что характерное голубое свечение, исходящее от реактора (будь тот настоящий) – реально существующее явление под названием эффект Вавилова-Черенкова. Именно из-за него вода, окружающая ядерные реакторы, действительно светится ярко-синим. Впервые это свечение заметили физик Сергей Вавилов и его аспирант Павел Черенков в лаборатории Физико-математического института в 1933 году, когда увидели, что бутылка с водой, подвергшаяся воздействию радиации, засветилась синим светом. В 1958 году за это открытие Черенков получил Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Ильей Франком и Игорем Таммом, которые экспериментально подтвердили существование эффекта. Хотя объяснить излучение Вавилова-Черенкова удалось только после публикации Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности, его существование было предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом еще в 1888 году.

Когда некие частицы, например, космические частицы, двигаются быстрее скорости света в некоторой среде, появляется излучение Вавилова-Черенкова.

Что такое излучение Вавилова-Черенкова?

Превысить скорость света в вакууме невозможно. Но когда элементарная частица находится в плотной среде, то может превысить это ограничение. Так, частица, разогнанная в вакууме, может влететь в воду со скоростью, например, 299 799 километров в секунду: так как законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, частица, находясь в среде, пролетает какое-то расстояние быстрее местного ограничения. Во время полета частица тормозит теряя энергию, которой нужно куда-то деваться.

Как пишет Tass в статье, посвященной Нобелевской премии по физике 1958 года, при торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света. Одна из особенностей черенковского излучения заключается в том, что оно в основном находится в непрерывном ультрафиолетовом спектре, а не в ярко-синем.

Интересно, что черенковское излучение аналогично эффекту звукового удара. Например, если самолет в воздухе движется медленнее скорости звука, то отклонение воздуха вокруг крыльев самолета происходит плавно. Однако если скорость движения превышает среднюю скорость звука, то происходит внезапное изменение давления и ударные волны распространяются от самолета в конусе со скоростью звука.

Вы наверняка замечали, что ядерный реактор Тони Старка сияет голубым светом.

То, как именно появляется излучение, детально проверяли Вавилов, Черенков, Тамм и Франк. Так как в 1951 году Вавилова не стало, трое физиков получили Нобелевскую премию семь лет спустя. Благодаря их работе, сегодня можно наблюдать излучение Вавилова-Черенкова практически где угодно. При. условии, конечно, что вы знаете, куда смотреть.

Жуткий синий свет

Когда черенковское излучение проходит через воду, заряженные частицы движутся быстрее света через эту среду. Таким образом, свет, который вы видите, имеет более высокую частоту (или более короткую длину волны), чем обычная длина волны. Поскольку в черенковском излучении преобладает свет с короткой длиной волны, свечение кажется синим. Это происходит потому, что быстро движущаяся заряженная частица возбуждает электроны молекул воды, которые поглощают энергию и высвобождают ее в виде фотонов света, возвращаясь к равновесию. Обычно некоторые из этих фотонов нейтрализуют друг друга (разрушительная интерференция), так что свечения не видно. Но когда частица движется быстрее, чем свет может пройти через воду, ударная волна создает конструктивную интерференцию, которую мы и видим как свечение.

Спектр излучения Черенкова непрерывен, и его интенсивность увеличивается с частотой; именно это и придает ему жуткий синий цвет, который вы видите на фотографиях реакторов «плавательного бассейна».

К счастью, излучение Вавилова-Черенкова можно использовать не только для того, чтобы вода в ядерной лаборатории светилась синим. Так, в реакторе бассейнового типа количество синего свечения может быть использовано для измерения радиоактивности отработавших топливных стержней. Излучение используется в экспериментах по физике элементарных частиц – физики надеются, что оно поможет им определить природу исследуемых частиц.

Более того, черенковское излучение возникает, когда космические лучи и заряженные частицы взаимодействуют с атмосферой Земли, поэтому для измерения этих явлений, обнаружения нейтрино и изучения излучающих гамма-лучи астрономических объектов, например остатки сверхновых, используются детекторы.

Интересно, что если релятивистские заряженные частицы ударяют в стекловидное тело человеческого глаза, то можно увидеть вспышки черенковского излучения, например, от воздействия космических лучей или в результате ядерной аварии, так что лучше, наверное, воздержаться.