Излучение Вавилова—Черенкова

Получив слабое голубоватое свечение от бутылки с водой при ее облучении радиоактивными веществами, русский исследователь понял, что происходит, когда нечто движется быстрее, чем свет.

Давайте скажем сразу, что в вакууме свет имеет самую высокую скорость распространения (иногда говорят о «фазовой скорости света»), так что нечего и помышлять о том, чтобы превысить ее. Однако со времен открытия закона Снеллиуса было известно, что в различных прозрачных средах, таких как воздух или вода, фазовая скорость света снижается.

В 1934 году Павел Черенков проводил эксперименты в лаборатории С.И. Вавилова с люминесценцией воды при облучении ее гамма-лучами и пытался понять, что заставляет воду светиться. Оказалось, что гамма-излучение выбивает из атомов воды электроны, движущиеся со скоростями, превышающими фазовую скорость света в воде (три четвертых скорости света в вакууме). Если в вакууме быстрее скорости света двигаться нельзя, то в воде частицы с ненулевой массой покоя (т.е. материя) могут двигаться быстрее скорости света.

Эффект Черенкова

Вначале казалось, что все просто. Эти высокоэнергетические частицы — чаще всего легкие, такие как электрон, — пробиваются сквозь среду, возбуждая атомы и заставляя их испускать излучение. Но более медленный в данной среде свет не может испускаться сверхсветовыми частицами вперед. Когда упругая волна воздуха не может оторваться от сверхзвукового самолета, преодолевающего звуковой барьер, она образует звуковую ударную волну. В эффекте Черенкова происходит нечто подобное, а именно формируется «ударная волна» из фотонов, которые и дают голубоватое свечение.

Излучение Черенкова, исходящее от тепловыделяющих сборок атомных реакторов, заставляет воду (она служит теплоносителем) светиться голубоватым светом

Детектор черенковского излучения

Эффект Черенкова стал зримым доказательством того, что природные высокоэнергетические частицы — это гости из космоса. (Они даже получили название «космические лучи», хотя на самом деле являются элементарными частицами, летящими с почти световыми скоростями.) Вспышки излучения Черенкова являются знаком их прибытия, поскольку они сталкиваются с молекулами воздуха, создавая выбросы высокоэнергетических частиц. Черенковский детектор также позволяет наблюдать неуловимые нейтрино, ливень которых обрушивается на нашу планету.