Вы, наверное, уже догадались, что в стакане с жидкостью образуется черенковское излучение, которое и помогло ученым определить скорость и энергию протонов. Стакан назвали счетчиком Черенкова и включили в список важнейших физических приборов.
Заметим, что к этому времени работа со счетчиками Черенкова упростилась еще больше. Появились фотоумножители, приборы, очень чувствительные к свету, улавливающие даже порции из нескольких световых квантов. Чтобы наблюдать черенковское излучение, ученым теперь не приходится часами сидеть в темноте. Специальные электронные приборы автоматически ведут подсчет фотонов черенковского излучения, замечая и то, чего не мог заметить самый натренированный глаз.
Счетчики Черенкова прогремели на весь мир. Ими был оборудован один из крупных американских ускорителей – бетатрон, дающий частицы с энергией 6,3 миллиарда электрон-вольт. Вскоре с их помощью было сделано замечательное открытие. В числе известных частиц были опознаны две новые, о которых еще не знал никто на свете, – антипротон и антинейтрон.
Черенковские счетчики стали одним из главных инструментов при исследованиях, проводимых на ускорителе – синхрофазотроне на 10 миллиардов электрон-вольт, построенном советскими учеными в городе Дубне и на всех других ускорителях.
Ленивых не замечать!
Счетчики Черенкова оказались способными не только определять скорость и энергию быстрых заряженных частиц, но могли (с высокой точностью) указать направление, откуда прилетели эти частицы. Ведь черенковское излучение имеет вид очень острого конуса с углом всего в один градус. И конус этот смотрит вдоль направления полета частицы.
О каком же еще, более удобном и точном приборе могли мечтать ученые, изучающие космические частицы, прилетающие на Землю из глубин космоса!
Ведь раньше, чтобы определить направление прилета частиц, надо было собирать сложные и громоздкие установки. Телескоп – так называлась одна из этих установок – состоял из целого набора счетчиков иного типа, чем черенковские, расположенных один за другим, да еще из специальной электронной схемы.
И такую установку смог заменить всего лишь один счетчик Черенкова!
Как же могли не воспользоваться ученые такой находкой? И уже в 1951 году они обнаружили черенковское излучение от мю-мезонов – особых ядерных частиц, содержащихся в космических лучах, а еще через год – от космических протонов.
Но и этим не исчерпались замечательные свойства счетчиков Черенкова.
Сама природа образования ударной световой волны приводит к тому, что они обладают еще одной важной особенностью. Они хорошо «видели» одни частицы, но не хотели замечать других. Они были избирательны в своем отношении к космическим пришельцам. Счетчики обладали, как сказал бы ученый, пороговым эффектом. Казалось, это огромный недостаток. Казалось, они могут пропустить, не заметить важную частицу! Но этот-то недостаток и обернулся достоинством.
Дело в том, что счетчик Черенкова не «хочет» замечать лишь медленные частицы. Те частицы, скорость которых меньше скорости света в веществе, из которого сделан сам счетчик, не создают в нем черенковского излучения, а значит, счетчик их не считает.
И чудесно! Ученые поняли: изготовляя счетчики из различных веществ, можно изменять величину пороговой скорости.
Так можно измерять скорость космических частиц, энергия которых столь велика, что ее невозможно измерить другими приборами.
Из пушки по воробьям
Эти замечательные особенности счетчиков Черенкова и дали им право полететь уже на первых советских искусственных спутниках и ракетах. И они не только помогли обнаружить корону Земли – три пояса заряженных частиц, ореолом опоясывающих Землю, но и дали возможность раскрыть секрет состава космических лучей. Над этим вопросом давно и безуспешно бились ученые. Как определить химический состав космических частиц? Как узнать, частицы каких элементов залетают к нам из космоса?
И тут проявилось еще одно уникальное свойство черенковских счетчиков. Они оказались способными определить не только скорость, энергию и направление прилета частицы, но и измерить ее заряд. Выяснилось, что чем больше заряд частицы, залетевшей в счетчик Черенкова, тем более яркий хвост сопровождает ее, тем большая часть ее энергии переходит 'в свет на каждом сантиметре ее пути. Тем более яркое свечение Черенкова она вызывает. Таким образом, яркость и сила свечения, острота светового конуса точно и однозначно указывают, какая частица залетела в счетчик, ядром какого элемента она является. Так ученые узнали, что в составе космических лучей есть ядра водорода, и гелия, и железа, и многих других элементов, имеющихся на Земле.
Благодаря счетчикам Черенкова люди узнали, что и Земля и далекие миры, которые прислали нам своих космических посланников, состоят из одних и тех же элементов, что химический состав вселенной везде одинаков.
Для исследования космического пространства приходится изготавливать счетчики Черенкова, имеющие очень малые размеры.
Но в институте, где работает Павел Алексеевич, стоит такой огромный бак с водой, что заглянуть в него можно, лишь забравшись по лестнице на второй этаж. В этом баке – самом большом в мире счетчике Черенкова – налито сто тонн воды! Просто не верится, что необходимо такое огромное сооружение для определения свойств частички, залетевшей в бак с неба!
Но, конечно, сделано это не напрасно. Конструкторам пришлось сделать бак таким большим для того, чтобы космическая частица, пролетая через него, успела превратить в нем в свет всю свою энергию. И тогда, измеряя интенсивность свечения фотоумножителем, можно определить полную энергию влетевшей в бак частицы.
Вторая жизнь открытия
Вокруг открытия Черенкова и после его признания бушевало много споров. Особенно относительно его практическою применения. В дискуссиях рождались интересные идеи. Одну из них высказал еще при обсуждении докторской диссертации Черенкова академик Мандельштам. Он предположил, что для наблюдения эффекта Черенкова вовсе не обязательно пропускать электроны через вещество, где они довольно быстро тормозятся встречными атомами. По его мнению, достаточно пропустить пучок быстрых электронов не через вещество, а вблизи его поверхности. Можно даже попытаться «впрыснуть» их в канал, проделанный в твердом теле.
Электроны, пролетая близко к его поверхности, будут возбуждать в атомах вещества электромагнитные волны. Если электроны летят быстрее, чем волны, значит в веществе возникнет ударная черенковская волна излучения.
Электроны летят в пустоте и поэтому, конечно, не могут лететь быстрее света. Но достаточно, чтобы они летели быстрее, чем электромагнитная волна, бегущая внутри диэлектрика. В этом случае волны, возникающие в диэлектрике под воздействием пролетающего электрона, обязательно будут складываться в черенковскую волну, которая распространится внутри диэлектрика, а затем...
А затем рожденные таким образом электромагнитные волны могут быть излучены в пространство.
Мысль покойного академика Мандельштама была не просто красивой иллюстрацией механизма возникновения черенковского излучения. Она указывала на практические возможности большого значения.
Впоследствии физик-теоретик В.Л. Гинзбург решил развить мысль Мандельштама.
Он тщательно изучил черенковское излучение в твердых телах и пришел к выводу, что таким образом можно просто осуществить генерацию очень коротких, миллиметровых и даже субмиллиметровых, волн. То есть создать новые генераторы радиоволн. Для радиотехники, которая все время борется за все более и более короткие волны, такие генераторы были бы просто находкой.
Таким способом можно получить особенно мощные радиоволны, используя не сплошной поток электронов, а предварительно сгруппировав их в небольшие сгустки.
Оказалось, это не единственный способ получения радиоволн с помощью эффекта Черенкова. Ведь мы знаем, что для возникновения эффекта достаточно уменьшить скорость электромагнитной волны до величины, меньшей, чем скорость электрона, и черенковское излучение начнется.
Однако скорость электромагнитных волн можно уменьшить, не только пропуская их через диэлектрик. Во многих случаях сантиметровые и миллиметровые волны передаются с помощью специальных металлических труб – волноводов. Если внутри трубы установить ряд перегородок с отверстиями, то скорость распространения волны по такой трубе сильно уменьшится.
Значит, выбрав подходящие размеры трубы и перегородок, откачав из нее воздух и пропустив через нее пучок быстрых электронов, сгруппированных в сгустки, можно получить таким образом мощное черенковское излучение миллиметровых волн. Оно будет образовываться здесь в результате взаимодействия электронов с отдельными отсеками волновода и сложения образующихся при этом электромагнитных волн.
Так эффект, открытый советским ученым и казавшийся ранее лишь интересным физическим явлением, уже входит в технику.
...В прошлом веке в Швеции жил очень богатый предприниматель и инженер Альфред Нобель, тот самый, который изобрел динамит. В своем завещании Нобель распорядился употребить свое огромное состояние на присуждение премий ученым, сделавшим важные научные открытия. С тех пор Шведская академия наук ежегодно присуждает Нобелевские премии за наиболее интересные и важные научные работы. Такую премию когда-то получили всем известные ученые Рентген, Эйнштейн, Фредерик Жолио-Кюри; русские ученые Павлов, Мечников. И.Е. Тамм, И.М. Франк и П.А. Черенков были награждены этой премией в 1958 году за открытие и толкование эффекта Черенкова – Вавилова.
Следы в тумане
Каждый сезон приносит новый мезон.
Шутка академика С.И. ВАВИЛОВА
Кто раздевает атомы?
В наши дни трудно найти человека, ничего не слышавшего о космических частицах. В начале века о них не знал никто.
Однако уже тогда начали распространяться слухи о каких-то таинственных лучах, о разрушенных атомах, якобы обнаруженных в воздухе.
Это были удивительные находки. Среди полноценных атомов в воздухе попадались атомы с «ободранными» электронами!
Как обнажились атомы? Откуда в воздухе появлялись очаги электричества?
Тогда еще было свежо впечатление от наделавших много шума невидимых лучей Беккереля, открытых в 1896 году. Чудесная и поучительная история этого открытия долго обсуждалась в кругах ученых.
Французский физик изучал люминесценцию ураниловых солей, которые ярко светились в темноте, если их до этого выставить под лучи солнца. Беккерель предполагал, что солнце заставляет эти соли вместе с видимым светом испускать и рентгеновы лучи. Ему удалось доказать на опыте, что ураниловые соли при этом засвечивают фотопластинки, защищенные непрозрачной черной бумагой. Это показалось Беккерелю важным открытием, и он 24 февраля 1896 года доложил о нем Парижской академии наук. Чтобы уточнить природу вновь открытого явления, Беккерель подготовил к опыту новую партию фотопластинок и, завернув их в черную бумагу, положил на каждую из них по пластинке, покрытой солью урана. Но природа воспротивилась намерениям ученого. Солнце скрылось, и надолго установилась пасмурная зимняя погода. Лишь в воскресенье 1 марта 1896 года выглянуло солнце. Но Беккерель был опытным экспериментатором. Он не спешил. Прежде чем начать опыты, он проверил, не испортились ли пластинки за время долгого пребывания в столе.
Проявив несколько из них, он с величайшим удивлением увидел, что они потемнели, хотя ураниловые соли не освещались солнцем и, следовательно, не могли люминесцировать.
Да, Беккерель был настоящим исследователем. Он не прошел мимо странного случая, не отнес это за счет плохого качества фотопластинок. Ученый тщательно изучил все обстоятельства и установил, что урановая руда сама по себе испускает невидимые активные лучи, проникающие сквозь непрозрачные тела. Так сочетание случая, наблюдательности, логического мышления и экспериментального искусства ученого привело к открытию радиоактивности.
Радиоактивность стала модой, ею пытались объяснить все непонятные явления. И когда ученые обнаружили постоянное присутствие в воздухе атомов, потерявших один или несколько электронов, в этом прежде всего обвинили радиоактивность. Тем более что действительно небольшое количество радиоактивных веществ обнаружили в почве, в воде, в воздухе.