Свечение Черенкова

Глаз, оторвавшись от прибора, встречал лишь тьму. В абсолютной темноте работали дни за днями молодые энтузиасты, изучавшие природу света.

Изучать свет в темноте! Что может быть нелепее этого? Но тем не менее в начале тридцатых годов в здании Академии наук на набережной Невы ученые ежедневно входили в совершенно затемненные комнаты и подолгу сидели в них, обдумывая предстоящие опыты. Да, они сидели в абсолютной темноте и ничего не делали — они готовились, подготавливали свои глаза. Лишь через час они ощупью подходили к заранее отрегулированным приборам и приступали к работе.

Опыт начинался. Они смотрели и видели то, что совершенно невидимо для остальных людей. Они видели свечение столь слабое, что его не мог воспринять ни один из приборов, существовавших в то время.

Это были сотрудники и ученики академика С. И. Вавилова, доказавшего, что человеческий глаз после часового пребывания в темноте, способен видеть мельчайшие порции света, измеряемые всего десятками световых квантов.

Советские оптики настойчиво изучали люминесценцию.

ТАЙНА СВЕЧЕНИЯ

В 1932 году, в то время, когда Павел Алексеевич Черенков изучал свечение ураниловых солей, растворенных в воде и в других жидкостях, многие стороны явления люминесценции были неясны. Всякое новое наблюдение имело здесь цену. Но основным было выявление новых, неизвестных ранее закономерностей.

Как будет изменяться свечение, если добавить в раствор исследуемое вещество? Что будет, если мы разбавим раствор водой? Конечно, яркость свечения при этом изменится. Но важен не голый факт, а точный закон. Необходимо установить зависимость яркости свечения от концентрации светящегося вещества.

По мере ослабления свечения приходилось принимать меры для того, чтобы опыт был безупречным. Ведь под действием радиоактивного излучения могли светиться и стенки сосуда, в который налит раствор. Но просто вылить раствор и изучать свечение стенок пустого сосуда нельзя. Ведь условия при переходе света из стекла в воздух резко отличаются от условий перехода света из стекла в раствор.

Решение принято. Нужно заменить раствор чистой водой. По всем оптическим свойствам, конечно, кроме способности к люминесценции, вода очень мало отличается от слабого раствора.

Опыт поставлен. В сосуде дистиллированная вода. Но свечение почти не отличается от свечения слабого раствора.

Что это, недостаток методики или результат переутомления глаз? А может быть, дистиллированная вода, которой он пользовался, недостаточно чиста? Прежде всего спокойствие и контрольные опыты.

Все начинается сначала. Он берет чистейшую воду и тщательно промывает прибор. Он терпеливо сидит в темноте, восстанавливая остроту зрения. Опыт начинается и приводит его к тому же. В растворе нет ни следа ураниловой соли, но свечение сохраняется. Положение крайне тяжелое. Ему не удается отделить мешающий свет от люминесценции раствора. Что же делать?

Здесь возможно множество путей. Выбор их зависит от индивидуальности ученого, от его кругозора, от интуиции, наконец, от темперамента.

Нужно искать новые пути.

Но Черенков хочет прежде всего ясности. Он должен узнать, почему не удался его опыт. Почему же светится дистиллированная вода? Ведь до сих пор считалось, что она не способна к люминесценции. Однако… Он не может ничего сказать, пока не убедится в том, что вода действительно чиста. Может быть, все дело в стекле? Может быть, стекло, хотя и слабо, растворяется в воде и дает это свечение?

Черенков тщательно сушит свой прибор и наливает в него другую жидкость. Все то же.

Долой стекло. Он берет чистейший платиновый тигель. Под его дном он кладет ампулу с радием. Гамма-лучи от ста четырех миллиграммов радия проходят через дно тигля в жидкость. Сверху на жидкость направлен объектив прибора. Жидкость предельно чиста, а свечение почти не ослабело. Теперь он уверен: яркое свечение концентрированных растворов — это люминесценция. Слабое свечение чистых жидкостей имеет другую природу. Но он продолжает свои исследования.

И вот молодой ученый докладывает о своей работе. Шестнадцать чистейших жидкостей — дистиллированная вода, различные спирты, толуол и другие — обнаружили слабое свечение под действием гамма-лучей радия. В отличие от остальных случаев это свечение не распространяется во все стороны подобно свету от лампы, а видно лишь в узком конусе, вдоль направления гамма-лучей.

Установлено, что во всех этих жидкостях яркость свечения почти одинакова. Сильнее всего оно в четыреххлористом углероде, слабее — в изобутиловом спирте. Но разница невелика — всего 25 %. Он добавлял во все жидкости азотнокислое серебро, йодистый калий и другие сильнейшие тушители люминесценции. Никакого эффекта — свечение не прекращалось. Он нагревал жидкости, это сильно влияет на люминесценцию, но яркость свечения не изменялась. Теперь он может поручиться, что это не люминесценция.

В 1934 году, после двух лет тщательного исследования, в «Докладах Академии наук СССР» появляется статья Черенкова об открытии.

Сейчас черенковское излучение может увидеть каждый посетитель Всесоюзной промышленной выставки в Москве.

Здесь под пятиметровой толщей воды мягко сияет экспериментальный атомный реактор. Свечение, окружающее его, — это черенковское излучение, вызываемое в воде мощным радиоактивным излучением реактора.

Что он видит?

Волга, как известно, рождается в виде маленького родника среди Валдайской возвышенности. Не скоро она разливается могучей рекой, поражая своей мощью.

Новое открытие вошло в науку не без труда. Многие ученые, в том числе и крупные, сомневались, считали, что опыты поставлены не четко. Коллеги обсуждали с Черенковым его работы. Советовали, высказывали свои соображения.

В то время уже было известно, что люминесценция вызывается не самими гамма-лучами, а электронами, освобождающимися под их влиянием внутри жидкости. Электроны ударом возбуждают атомы жидкости. Вслед за этим атомы излучают свет.

Но Черенков доказал, что открытое им свечение не было люминесценцией.

Академик Вавилов, крупнейший специалист в области люминесценции, научный руководитель Черенкова, высказал предположение о том, что свечение вызвано тормозным излучением, известным как причина возникновения рентгеновских лучей. Весь небольшой коллектив размышлял над загадкой, но эксперименты по-прежнему вел один Черенков.

Помещая свой прибор в магнитное поле, Черенков доказал, что свечение и в этом случае действительно вызывается электронами, выбиваемыми гамма-лучами радия из атомов самой жидкости. В следующем опыте он еще раз подтвердил это, получив свечение чистых жидкостей при воздействии бета-лучей, то есть быстрых электронов, выделяющихся при радиоактивном распаде.

Дальнейшее изучение показало, что излучение, открытое Черенковым, не объясняется резким торможением электронов.

Почти три