Цепная реакция идей

В 1946 году заместитель директора ФИАНа известный физик В.И. Векслер так охарактеризовал научную работу Тамма: «И.Е. Тамм — один из наиболее выдающихся советских физиков-теоретиков. Его работы, в особенности по вопросам физики атомного ядра, хорошо известны у нас и за границей и имеют высокую оценку. В особенности интересен ряд работ И.Е. Тамма о природе внутриядерных сил. Также общим признанием пользуются исследования И.Е. Тамма по фотоэлектрическому эффекту. Много сделано им также и в области классической электродинамики».

На Ученом совете Института физических проблем 7 сентября 1953 года академик Л.Д. Ландау выдвинул кандидатуру И.Е. Тамма на очередные выборы в Академию наук СССР.

Тамм был избран академиком.

В 1958 году Тамму была присуждена Нобелевская премия по физике. Вместе с ним Нобелевскими лауреатами стали известные физики Илья Михайлович Франк и Павел Алексеевич Черенков. Премия была присуждена этим трем ученым за открытие и объяснение «эффекта Черенкова». Эффект излучения «сверхсветового электрона» был открыт экспериментально в опытах П.А. Черенкова, поставленных под руководством академика Сергея Ивановича Вавилова в 1934 году.

Вкратце история открытия эффекта Черенкова такова. В начале тридцатых годов С.И. Вавилов занимался исследованиями люминесценции. П.А. Черенков был его аспирантом. Он в 1934 году исследовал люминесценцию, возникающую в растворах солей, содержащих уран (уранил). Раствор облучался бета-излучением, возбуждающим люминесценцию. Комната, где работал Черенков, была совершенно затемнена. Наблюдать слабое люминесцентное свечение было мучительно для глаз и быстро. утомляло исследователя. В этих опытах Черенков обратил внимание на еще более слабое, чем люминесценция, синее свечение. Продолжая опыты, Черенков установил, что слабое синее свечение наблюдается не только в растворах солей, но и в чистых жидкостях, например в дистиллированной воде, спирте, толуоле, глицерине и других.

Когда Черенков поместил вещество, излучающее свечение, между полюсами электромагнита, то обнаружил, что свечение распространяется не во все стороны, подобно свету, а только по определенным направлениям, составляющим некоторый угол с траекторией электрона и образующим конус. Яркость свечения возрастет, если электроны отклонить магнитным полем в сторону, откуда смотрит наблюдатель, и, наоборот, станет слабее, если электроны отклонятся от точки, где находится наблюдатель.

Прибор для демонстрации этого характерного и неизвестного ранее свойства излучения Черенкова демонстрировался на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 году. Прибор построил Черенков. Он вызвал большой интерес у посетителей выставки, которые наблюдали, как, изменяя направление магнитного поля, можно заставить поворачиваться пучок синего света.

Тогда еще никто не думал, что благодаря своему удивительному свойству, излучение Черенкова будет практически применено в весьма ценных приборах для исследования ядерных частиц.

Тамм и Франк в 1937 году построили количественную теорию излучения Черенкова. Согласно этой теории электрон, как и любая другая частица, движущаяся в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость света в данной среде (она называется фазовой скоростью), должна сама излучать свет. Частицы иногда обладают такой большой энергией, что могут проходить значительный путь в прозрачной среде.

Быстрые электроны, испускаемые радиоактивными веществами или выбиваемые в веществе гамма-излучением, в большинстве случаев имеют скорость, превышающую скорость света в пустоте на одну десятую и меньше, следовательно, они должны сами излучать свет.

Электрон, движущийся в плотной среде, сопровождается V-образной волной — ее можно сравнить для наглядности с ударной волной, которая образуется за снарядом, летящим со скоростью больше скорости звука в воздухе.

Можно получить экспериментально частицы, двигающиеся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Такое движение электронов и вызывает эффект Черенкова. Принцип теории относительности Эйнштейна, гласящий, что частицы не могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, не нарушается.

Излучение Черенкова можно наблюдать не только при взаимодействии электронов с веществом, как в опытах Черенкова. Оно возникает и в случае взаимодействия с веществом других заряженных частиц: мезонов, протонов и т.д.

Теория Тамма и Франка объяснила эффект Черенкова с точки зрения классической электромагнитной теории. Она полностью подтвердилась экспериментами и дала огромный толчок множеству исследований, проведенных в Советском Союзе и во многих странах мира.

Позднее эффект Черенкова был объяснен с точки зрения квантовых представлений учеником Тамма академиком Виталием Гинзбургом.

Б начале считали, что свечение Черенкова не имеет практического значения, хотя само по себе представляет интересное физическое явление. Однако оказалось, что в оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн оно может служить очень эффективным методом регистрации отдельных частиц и даже измерения их энергии. При движении через вещество заряженной частицы, например электрона, протона, мезона и других, в нем возникает световая вспышка, которую можно зафиксировать с помощью прибора фотоумножителя. Именно это свойство было использовано для создания счетчиков Черенкова. Эти счетчики получили широкое применение в экспериментальной физике, особенно в физике высоких энергий.

Счетчики Черенкова применяются для регистрации быстрых заряженных частиц и для определения их свойств; направления движения, величины и знака заряда и т.п. Частица, попавшая в счетчик, регистрируется практически мгновенно, это очень важно. Люминесцентные (сцинтилляционные) счетчики частиц не обладают таким быстродействием. Это объясняется тем, что в люминесценции существует так называемое время высвечивания, вызывающее задержку регистрации. Следовательно, если частица короткоживущая, т.е. время ее существования меньше времени высвечивания, то ее нельзя зарегистрировать сцинтилляционным счетчиком.

Свойство счетчиков Черенкова регистрировать частицы мгновенно позволило использовать их в одном из наиболее интересных в последние десятилетия открытий ядерной физики: открытия античастицы — антипротона. Американский физик, итальянец по происхождению, Эмилио Сэгре открыл эту удивительную частицу, использовав в своих опытах целую систему счетчиков Черенкова. Антипротон — короткоживущая частица. За открытие антипротона Эмилио Сэгре получил в 1959 году Нобелевскую премию. Позднее он же открыл антинейтроны.

Счетчики Черенкова играют большую роль при изучении частиц, входящих в состав космических лучей. Их устанавливают обычно на космических ракетах, искусственных спутниках и других устройствах для космических исследований.

В начале февраля 1959 года в связи с присуждением Нобелевской премии И.Е. Тамму, И.М. Франку и П.А. Черенкову состоялось их выступление в Москве в Политехническом музее.

Часть своего выступления Тамм посвятил рассказу о том, в какой обстановке вручаются Нобелевские премии. Этот яркий, увлекательный, наполненный живым юмором рассказ позволим себе привести на страницах этой книги относительно подробно, тем более что по нему можно судить о характерной для Тамма манере публичных выступлений.