Научная деятельность

Начало научной деятельности П.А. Черенкова относится к 1932 г., когда он был аспирантом Физико-математического института Академии наук и по предложению своего научного руководителя С.И. Вавилова начал исследовать люминесценцию растворов ураниловых солей под действием  -лучей. В 1934 г. институт разделился на математический и физический, и с того времени Павел Алексеевич стал аспирантом, а с 1935 г. – постоянным сотрудником Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР – ФИАНа.

 В годы Великой Отечественной войны Павел Алексеевич занимался разработкой прибора оборонного назначения, основанного на использовании некоторых методов ядерной физики.

В последующие годы научные интересы П.А. Черенкова были связаны с исследованиями космических лучей. Результатом этих исследований явилось обнаружение многозарядных ионов в составе вторичной компоненты космического излучения.

Начиная с 1946 г. Павел Алексеевич участвовал в разработке и сооружении первых электронных ускорителей в лаборатории, которой руководил В.И. Векслер.

С 1959 г. Павел Алексеевич руководил лабораторией фотомезонных процессов ФИАНа. Основным научным направлением лаборатории стало исследование электромагнитных взаимодействий элементарных частиц. За это время под руководством Павла Алексеевича был проведен ряд фундаментальных исследований, относящихся к изучению фотон-нуклонных взаимодействий. При энергиях до 250 МэВ был детально изучен также процесс фоторасщепления легчайших ядер.

«После долгой кромешной темноты в глаза неожиданно и больно ударил электрический свет. Молодой аспирант академика Вавилова вскочил со стула. Кто-то из сотрудников института щелкнул выключателем, забыв, что он, Павел, Черенков, уже два часа сидит на стуле в полной темноте, и еще ему полагается сидеть час, чтобы начать эксперимент, рассчитанный на проверку возможностей человеческого глаза. Ничего, придется начинать все сначала! Ему хватит усидчивости, настойчивости…»
       Эта почти детективная история началась в 1932 году. Сергей Вавилов предложил троим своим аспирантам три научных темы на выбор: кто какую возьмет. Павлу Черенкову как выходцу из глубинки, как крестьянскому сыну, досталась самая простая (как сначала казалось) тема: люминесценция. Надо было исследовать свечение жидкостей под воздействием гамма-лучей радия. Порог свечения в то время можно было определить только глазом. И вот в 1934 году дотошный, до крайности аккуратный и точный Черенков обнаружил вдруг какое-то непонятное слабое голубое свечение, какой-то фон, который невероятно мешал чистоте, его основного эксперимента! Молодой ученый всячески пытался устранить этот фон. Он действовал очень методично. Вместо серной кислоты брал дистиллированную воду, нагревал ее, добавлял различные химические вещества, которые уменьшали яркость флюоресценции. Всегда проделы­вал те же опыты с контрольными растворами. Но странное свечение не исчезало. Это жутко огорчало Черенкова: ведь никто даже из маститых академиков не мог объяснить ненужный эффект – и, самое обидное, многие считали его результатом примитивности эксперимента, считали, что аспирант-«крестьянин» Вавилова занимается чуть ли не лженаукой!
        В 1935 году Черенков все же защитил кандидатскую диссертацию, опять-таки по «простой» теме люминесценции. Но именно «ненужный» эффект и оказался тем самым эффектом, за который Павел Алексеевич спустя 24 года получил Нобелевскую премию.

Он и называется теперь во всех учебниках по физике эффектом Черенкова - Вавилова (а на Западе - просто эффектом Черенкова). Он и позволил создать «черенковские счетчики», «черенковские детекторы» (эти определения навсегда вошли в науку), без которых немыслимы очень многие эксперименты, ведущиеся сегодня в области ядерной физики и физики высоких энергий. 
        Лаборатория П.А. Черенкова вела исследования электромагнитных процессов при высоких энергиях на ускорителях в ЦЕРНе, Гамбурге, Серпухове, в Дубне. Важным этапом в проведении этих исследований явилось, в частности, создание в 1970 г. совместно с Институтом физики высоких энергий и Ереванским физическим институтом электронного пучка на серпуховском протонном ускорителе на 70 ГэВ. 
      В 1932 г. под руководством академика С.И. Вавилова Черенков начал исследовать свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии, например излучения радиоактивных веществ. Ему удалось показать, что почти во всех случаях свет вызывался известными причинами, такими, как флуоресценция. При флуоресценции падающая энергия возбуждает атомы или молекулы до более высоких энергетических состояний (согласно квантовой механике, каждый атом или молекула обладает характерным множеством дискретных энергетических уровней), из которых они быстро возвращаются на более низкие энергетические уровни. Разность энергий более высокого и более низкого состояний выделяется в виде единицы излучения - кванта, частота которого пропорциональна энергии. Если частота принадлежит видимой области, то излучение проявляется как свет. Поскольку разности энергетических уровней атомов или молекул, через которые проходит возбужденное вещество, возвращаясь в самое низкое энергетическое состояние (основное состояние), обычно отличаются от энергии кванта падающего излучения, эмиссия из поглощающего вещества имеет другую частоту, чем у порождающего ее излучения. Обычно эти частоты ниже.
Однако Черенков  обнаружил, что гамма-лучи (обладающие гораздо большей энергией и, следовательно, частотой, чем рентгеновские лучи), испускаемые радием, дают слабое голубое свечение в жидкости, которое не находило удовлетворительного объяснения. Это свечение отмечали и другие. За десятки лет до Черенкова его наблюдали Мария и Пьер Кюри, исследуя радиоактивность, но считалось, что это просто одно из многочисленных проявлений люминесценции. Ч. действовал очень методично. Он пользовался дважды дистиллированной водой, чтобы удалить все примеси, которые могли быть скрытыми источниками флуоресценции. Он применял нагревание и добавлял химические вещества, такие, как йодистый калий и нитрат серебра, которые уменьшали яркость и изменяли другие характеристики обычной флуоресценции, всегда проделывая те же опыты с контрольными растворами. Свет в контрольных растворах изменялся, как обычно, но голубое свечение оставалось неизменным.
Исследование существенно осложнялось из-за того, что у Черенкова не было источников радиации высокой энергии и чувствительных детекторов, которые позднее стали самым обычным оборудованием. Вместо этого ему пришлось пользоваться слабыми естественными радиоактивными материалами для получения гамма-лучей, которые давали едва заметное голубое свечение, а вместо детектора полагаться на собственное зрение, обострявшееся с помощью долгого пребывания в темноте. Тем не менее ему удалось убедительно показать, что голубое свечение представляет собой нечто экстраординарное.
Значительным открытием была необычная поляризация свечения. Свет представляет собой периодические колебания электрического и магнитного полей, напряженность которых возрастает и убывает по абсолютной величине и регулярно меняет направление в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Если направления полей ограничены особыми линиями в этой плоскости, как в случае отражения от плоскости, то говорят, что свет поляризован, но поляризация тем не менее перпендикулярна направлению распространения. В частности, если поляризация имеет место при флуоресценции, то свет, излучаемый возбужденным веществом, поляризуется под прямым углом к падающему лучу. Ч. обнаружил, что голубое свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей. Исследования, проведенные в 1936 г., показали также, что голубое свечение испускается не во всех направлениях, а распространяется вперед относительно падающих гамма-лучей и образует световой конус, ось которого совпадает с траекторией гамма-лучей. Это послужило ключевым фактором для его коллег, Ильи Франка и Игоря Тамма, создавших теорию, которая дала полное объяснение голубому свечению, ныне известному как излучение Черенкова.
Согласно этой теории, гамма-квант поглощается электроном в жидкости, в результате чего он вырывается из родительского атома. Подобное столкновение было описано Артуром X. Комптоном и носит название эффекта Комптона. Математическое описание такого эффекта очень похоже на описание соударений бильярдных шаров. Если возбуждающий луч обладает достаточно большой энергией, выбитый электрон вылетает с очень большой скоростью. Замечательной идеей Франка и Тамма было то, что излучение Черенкова возникает, когда электрон движется быстрее света. Других, по всей видимости, удерживал от подобного предположения фундаментальный постулат теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которому скорость частицы не может превышать скорости света. Однако подобное ограничение носит относительный характер и справедливо только для скорости света в вакууме. В веществах, подобных жидкостям или стеклу, свет движется с меньшей скоростью. В жидкостях электроны, выбитые из атомов, могут двигаться быстрее света, если падающие гамма-лучи обладают достаточной энергией.
Конус излучения Черенкова аналогичен волне, возникающей при движении лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде. Он также аналогичен ударной волне, которая появляется при переходе самолетом звукового барьера.
За эту работу Ч. получил степень доктора физико-математических наук в 1940 г. Вместе с Вавиловым, Таммом и Франком он получил Сталинскую (впоследствии переименованную в Государственную) премию СССР в 1946 г.
В 1958 г. вместе с Таммом и Франком Ч. был награжден Нобелевской премией по физике "за открытие и истолкование эффекта Черенкова". Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи отметил, что "открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований".
Комментируя первое награждение советских ученых Нобелевской премией по физике, газета "Нью-Йорк таймс" отметила, что оно свидетельствует о "несомненном международном признании высокого качества экспериментальных и теоретических исследований в области физики, проводимых в Советском Союзе". Подобное признание носило иронический характер (по крайней мере отчасти), поскольку во времена оригинальных исследований Ч. его примитивные методы делали для многих физиков сомнительными результаты исследований.
В течение ряда лет теория излучения Черенкова, сохраняя фундаментальное значение, не имела практических приложений. Однако впоследствии были созданы счетчики Черенкова (основанные на обнаружении излучения Черенкова) для измерения скорости единичных высокоскоростных частиц, вроде тех, что образуются в ускорителях или в космических лучах. Определение скорости основано на том, что чем быстрее движется частица, тем уже становится конус Черенкова. Поскольку излучение Черенкова обладает энергетическим порогом и представляет собой короткие импульсы, с помощью счетчика Черенкова можно отсеивать частицы с низкими скоростями и различать две частицы, поступающие почти одновременно. При регистрации излучения поступает также информация о массе и энергии частицы. Этот тип детектора использовался при открытии антипротона (отрицательного ядра водорода) Оуэном Чемберленом и Эмилио Сегре в 1955 г.; позднее он применялся в счетчике космических лучей на советском искусственном спутнике "Спутник-111".

 Определение скорости основано на том, что однимоканде - черенковский детектор не из самых чувствительных детекторов нейтрино на сегодня является установка   Супер-Камийтрино. Это огромный бак заполненный сверхчистой водой, который окружен фотодетекторами. Практически весь поток нейтрино проходит через установку не взаимодействуя с ее содержимым, но иногда нейтрино сталкивается с электроном (кружащимся вокруг атома водорода или кислорода) и передает ему часть своего импульса. После такого столкновения электрон движется со скоростью большей скорости света в воде и из-за этого излучает свет (черенковское излучение), которое и регистрируют детекторы. Угол между траекториями нейтрино и выбитого им электрона не превышает 1-2o, т.е. черенковское излучение тоже идет "со стороны Солнца". 
       Многие годы Черенков был начальником отдела Института им. Лебедева, после войны он занялся изучением космических лучей и принимал участие в создании электронных ускорителей. За участие в разработке и создании в Институте им. Лебедева синхротрона он был награжден второй Сталинской (Государственной) премией в 1951 г. В 1959 г. Черенков  стал руководителем институтской лаборатории фотомезонных процессов, где проводил исследования по фотораспаду гелия и других легких ядер и фотопродукции внутриатомных частиц.
      Работы Черенкова посвящены физической оптике, ядерной физике, физике частиц высоких энергий. Ученый занимался исследованием свечения жидкостей под действием g-лучей радия; в 1934 обнаружил, что наряду с обычной люминесценцией возникает специфическое голубое свечение. В 1936 установил основное его свойство – направленность под острым углом к направлению движения заряженной частицы. Теорию излучения Черенкова разработали в 1937 И.Е.Тамм и И.М.Франк. Из этой теории следует, что любая заряженная частица, движущаяся в прозрачной среде, должна излучать свет, если ее скорость превышает фазовую скорость света в этой среде. Эффект Вавилова – Черенкова лежит в основе работы детекторов быстрых заряженных частиц (черенковских счетчиков). Черенков принимал участие в создании первых электронных ускорителей – синхротронов, в частности синхротрона на 250 МэВ (Государственная премия СССР, 1952). Выполнил цикл работ по расщеплению легких ядер высокоэнергетическими g-квантами (Государственная премия СССР, 1977). 
      Эффект Вавилова – Черенкова лежит в основе работы детекторов быстрых заряженных частиц (черенковских счетчиков). Черенков принимал участие в создании первых электронных ускорителей – синхротронов, в частности синхротрона на 250 МэВ (Государственная премия СССР, 1952). Выполнил цикл работ по расщеплению легких ядер высокоэнергетическими g-квантами (Государственная премия СССР, 1977). 
     Черенков был избран членом-корреспондентом АН СССР в 1964 г. и академиком в 1970 г. Лауреат Нобелевской премии академик Павел Алексеевич Черенков был членом Национальной академии наук США и участвовал в Пагуошском движении, носил звание Героя Социалистического труда, был награжден тремя орденами Ленина, двумя орденами Красного Знамени, орденом “Знак Почета” и медалями СССР. Высокие заслуги П.А. Черенкова отмечены также орденами ряда зарубежных стран.