Bức xạ Vavilov-Cherenkov

13

Bức xạ Vavilov-Cherekkov

Năm nay đánh dấu 500 năm kể từ khi những báo cáo đầu tiên về việc phát hiện ra một trong những hiện tượng vật lý đẹp nhất xuất hiện trên tạp chí “Báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô”.

Vào thời điểm đó, vào năm 1934, nhà khoa học trẻ đầy tham vọng Pavel Alekseevich Cherekkov, dưới sự hướng dẫn của Viện sĩ Sergei Ivanovich Vavilov, đã nghiên cứu sự phát quang (ánh sáng lạnh) của muối cân bằng raster dưới tác động của bức xạ gamma. Để nghiên cứu các phép đo, cần phải xem bản thân dung môi phát sáng như thế nào. Vào thời điểm đó, người ta tin rằng chất lỏng nguyên chất không hề phát ra ánh sáng nào, nhưng các thí nghiệm của Cherekkov cho thấy dung môi có ánh sáng yếu nhìn thấy được. Sự phát sáng này không liên quan gì đến sự phát sáng, nhưng những kết luận như vậy chưa được đưa ra ngay lập tức.

Trong phòng thí nghiệm của Vavilov, một kỹ thuật đo đặc biệt đã được phát triển cho phép người ta xác định xem ánh sáng rực rỡ của các chất khác nhau có phải là sự phát sáng hay không. Cherekkov đã tiến hành các thí nghiệm tương ứng với ánh sáng rực rỡ của chất lỏng nguyên chất mà ông đã khám phá ra. Dựa trên kết quả của họ, Vavilov kết luận rằng bức xạ tìm thấy không phải là phát quang.

Bản chất của ánh sáng này là gì? Những báo cáo đầu tiên về điều này cũng được thực hiện bởi S.I. Vavilov. Bức xạ gamma, tức là bức xạ điện từ năng lượng cao, truyền qua vật chất sẽ chọn lọc các electron từ các nguyên tử, sau đó chúng di chuyển qua vật chất theo hướng gần với hướng truyền của chùm tia gamma. Chính những electron này tạo ra ánh sáng. Vavilov còn đưa ra một số đề xuất về cách chính xác các electron cao phát ra, nhưng sau đó chúng không được xác nhận. Tuy nhiên, ý tưởng cho rằng nguồn phát ra ánh sáng quan sát được là các electron bay qua môi trường hóa ra là hoàn toàn chính xác và quyết định toàn bộ quá trình nghiên cứu sâu hơn.

Vavilov liên tục thảo luận về hàng loạt vấn đề liên quan đến thí nghiệm Cherekkov với nhiều nhà vật lý - tính chất của những người khác (S. I. Vavilov là giám đốc Viện Vật lý P. N. Lebedev thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô) và các sinh viên. Đặc biệt, anh ấy đã thu hút được sự quan tâm của Igor Evgenievich Tamm và Ilya Mikhailovich Frank trong những câu hỏi này. Các cuộc thảo luận chung lặp đi lặp lại đã giúp hiểu được hiện tượng vật lý tự nhiên. Thực tế là ánh sáng phát ra có tính định hướng đóng một vai trò quan trọng - ánh sáng được phát ra về phía trước, ở một góc nhọn so với hướng chuyển động của các electron bị đánh bật ra.

Ba năm sau khi báo cáo đầu tiên về việc phát hiện ra một loại ánh sáng mới được công bố, Tamm và Frank đã phát triển một lý thuyết hoàn chỉnh về hiện tượng này. Họ đã chỉ ra rằng ánh sáng được phát ra bởi các electron di chuyển trong vật chất không gian với tốc độ không đổi (!), vượt quá (!) tốc độ ánh sáng trong vật chất này.

Theo lý thuyết công nghệ tương đối, tốc độ ánh sáng trong chân không là tốc độ cực đại đối với mọi vật chất của vật thể. Electron không thể chạy nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Nhưng nó có thể chạy nhanh hơn ánh sáng bằng cách chuyển động trong một môi trường trong suốt, nơi tốc độ ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với trong chân không. Khi đó bức xạ do Vavilov và Cherekkov phát hiện sẽ xuất hiện.

Lý thuyết của Tamm và Frank được giải thích không chỉ bởi tính chất định hướng của bức xạ mà còn bởi tất cả các tính chất khác của nó - thành phần quang phổ, cường độ, độ phân cực. Sau khi lý thuyết Cherekkov xuất hiện, các phép đo lân cận đã được tiến hành để kiểm tra nó. Kết quả của họ, giống như kết quả của những bức xạ trước đó, hóa ra rất phù hợp với lý thuyết của Tamm và Frank.

Ở đây cần phải nói rằng bức xạ do Cherekkov thực hiện là công việc cần thiết, bởi vì ánh sáng cực kỳ yếu, mắt người không thể phát hiện được và vào thời điểm đó cũng chưa có những dụng cụ tốt hơn mắt. Cherekkov đã đương đầu với mọi khó khăn bằng kỹ năng tuyệt vời và thu được kết quả đầy hứa hẹn.

Trong những năm đầu tiên sau khi phát hiện và giải thích về ánh sáng mới, tôi không nghĩ đến ứng dụng thực tế của nó - ánh sáng này quá yếu. Nhưng mười năm sau, các thiết bị rất nhạy như ống nhân quang đã được phát triển, và sau đó nảy sinh ý tưởng sử dụng bức xạ Vavilov-Cherekkov để phát hiện sự ô nhiễm nhanh chóng của các hạt.

Rất nhanh chóng, theo nguyên tắc này, các thiết bị tương ứng đã được tạo ra, được gọi là bộ đếm Cherekkov. Bộ đếm như vậy bao gồm một chất trong suốt trong đó phần tích điện bay tạo ra bức xạ Vavilov-Cherekkov. Bức xạ nhật thực này đi vào ống nhân quang và được chuyển thành xung điện áp dễ dàng ghi lại. Giờ đây, máy đếm Cherekkov đã trở thành một phần trong kho thiết bị cần thiết trong tất cả các phòng thí nghiệm (cả trên mặt đất và trên không gian - đặt trên vệ tinh), nơi nghiên cứu các hạt chuyển động nhanh đang được tiến hành.

Việc phát hiện ra bức xạ Vavilov-Cherekkov đã được khoa học thế giới công nhận. Năm 1946, Vavilov, Tamm, Frank và Cherekkov được trao Giải thưởng Nhà nước Liên Xô, và năm 1958 Cherekkov, Tamm và Frank (S.I. Vavilov qua đời năm 1951) được trao giải Nobel Vật lý cho việc phát hiện và giải thích bức xạ Vavilov-Cherekkov, một dấu hiệu của sự công nhận khoa học quốc tế.

Và thậm chí sau đó, vào năm 1974, gần như đồng thời ở Anh và Liên Xô, họ nhớ rằng sự truyền ánh sáng xuyên qua một chất với tốc độ vượt quá tốc độ của một ngọn nến trong chất này cuối cùng đã được nhà vật lý và toán học Lenian Oliver Heaviside xem xét. Ông đã nghiên cứu hiện tượng này khá đầy đủ (mặc dù không đầy đủ như Tamm và Frank), nhưng vào thời điểm đó, ý tưởng về khả năng chuyển động với tốc độ cột dường như rất tuyệt vời, và công trình của Heaviside đã bị lãng quên từ lâu và chắc chắn.

V. M. Bolotovsky