Pavel Aleksejevič Čerenkov

Pavel Aleksejevič Čerenkov

28. 7. 1904–6. 1. 1990

Sovětský fyzik a experimentátor, který v roce 1934 objevil záření vznikající při pohybu nabité částice průhledným prostředím rychleji, než se v tomto prostředí šíří světlo. Za objev Čerenkovova efektu obdržel spolu s Iljou Frankem a Igorem Tammem Nobelovu cenu za fyziku 1958.

Sovětský fyzik Pavel Aleksejevič Čerenkov je známý především objevem záření, které dnes nese jeho jméno. Čerenkovovo záření se stalo jedním ze základních nástrojů jaderné a částicové fyziky: podle světelného kužele lze určovat rychlost, směr a někdy i druh rychlé nabité částice.

Narodil se 28. července 1904 v obci Novaja Čigla ve Voroněžské oblasti (15. července podle tehdejšího juliánského kalendáře). Pocházel z rolnické rodiny; matka zemřela, když byl ještě malý, a Čerenkov vyrůstal ve skromných poměrech. Od třinácti let pracoval jako manuální dělník. Když mu bylo šestnáct let, otevřela se v obci sovětská střední škola a Čerenkov začal znovu soustavně studovat. V roce 1928 absolvoval Fyzikálně matematickou fakultu Voroněžské státní univerzity. Následně pokračoval ve studiu na P. N. Lebeděvově fyzikálním institutu v Moskvě.

Objev Čerenkovova záření

Od roku 1930 pracoval Čerenkov v P. N. Lebeděvově fyzikálním institutu Akademie věd SSSR pod vedením profesora Sergeje I. Vavilova, který ho pověřil studiem luminiscence kapalin ozářených radioaktivním zářením.

V roce 1934 při pokusech s kapalinami, mimo jiné s vodou, pozoroval Čerenkov slabé modré světlo vyzařované při ozáření. Vavilov rozpoznal, že nejde o běžnou fluorescenci: záření netrvalo po skončení ozařování a jeho vlastnosti nezávisely obvyklým způsobem na chemickém složení kapaliny. Čerenkov poté provedl systematická měření směru, polarizace a spektrálních vlastností záření.

Teoretické vysvětlení publikovali v roce 1937 Ilja Frank a Igor Tamm. Ukázali, že záření vzniká tehdy, když se nabitá částice pohybuje prostředím rychleji, než se v tomto prostředí šíří světlo. V ruské odborné tradici se jev často označuje jako Vavilovovo–Čerenkovovo záření, protože Vavilov sehrál důležitou roli při rozpoznání a vedení experimentů.

Čerenkovovo záření v jádře reaktoru ATR
Čerenkovovo záření v jádře reaktoru (modré záření)

Fyzikální princip

Čerenkovovo záření vzniká jako elektromagnetická obdoba Machovy rázové vlny (zvukového třesku letadel překračujících rychlost zvuku). Světlo se v průhledném prostředí s indexem lomu n šíří fázovou rychlostí c/n, která je nižší než rychlost světla ve vakuu. Pokud se nabitá částice pohybuje rychlostí v > c/n, vyvolá koherentní elektromagnetické vlnění šířící se do kuželového pláště.

cos θ = c / (n · v) = 1 / (n · β)

V tomto vztahu je θ úhel Čerenkovova kužele, β = v/c a podmínka vzniku záření je β > 1/n. Záření nepředstavuje porušení teorie relativity: částice nepřekračuje rychlost světla ve vakuu, pouze fázovou rychlost světla v daném prostředí.

Modré zbarvení je dáno tím, že počet vyzářených fotonů v běžném viditelném rozsahu roste směrem ke kratším vlnovým délkám. Skutečný pozorovaný odstín závisí také na průhlednosti prostředí, citlivosti oka nebo detektoru a na tom, kolik ultrafialového záření se pohltí.

Vědecká kariéra

Čerenkov se podílel na vývoji elektronových urychlovačů a na výzkumu fotonukleárních a fotomezónových reakcí. Od roku 1959 vedl laboratoř fotomezónových procesů v Lebeděvově institutu. V roce 1970 se stal aké řádným členem Akademie věd SSSR.

Čerenkovův detektor se stal standardní součástí vybavení pracovišť pro pozorování vysokorychlostních částic. Výhodou je, že záření vzniká jen nad určitou prahovou rychlostí, a proto se hodí k rozlišení částic s různou hmotností při stejné hybnosti.

Čerenkovovo záření v praxi

Praktická hodnota Čerenkovova záření spočívá v tom, že z úhlu a intenzity světelného kužele lze odvodit rychlost částice a spolu s dalšími měřeními také její identitu. Proto se tento jev používá v detektorech na urychlovačích, v neutrinové astronomii i v kontrole radioaktivních materiálů.

Ocenění a uznání

Pavel Čerenkov významně přispěl k rozvoji jaderné a částicové fyziky. Jeho objev umožnil vytvořit novou generaci detektorů rychlých nabitých částic a dodnes se využívá ve výzkumu kosmického záření, neutrin i v jaderné technice.

Osobní život

V roce 1930 se Čerenkov oženil s Marijí Putincevovou, dcerou profesora ruské literatury A. M. Putinceva. Spolu měli syna Alexeje a dceru Jelenu.

Pavel Aleksejevič Čerenkov zemřel 6. ledna 1990 v Moskvě ve věku 85 let. Je pohřben na Novoděvičím hřbitově v Moskvě.

Čerenkovův hrob
Čerenkovův hrob – Novoděvičím hřbitově, Moskva

Časté otázky

Porušuje Čerenkovovo záření teorii relativity?
Ne. Teorie relativity zakazuje překročení rychlosti světla ve vakuu (c = 299 792 458 m·s−1). V průhledném prostředí s indexem lomu n > 1 je fázová rychlost světla c/n < c. Nabitá částice může tuto rychlost překročit, aniž by překročila rychlost světla ve vakuu.
Proč je Čerenkovovo záření modré?
V ideálním případě závisí počet fotonů na vlnové délce tak, že více světla připadá na kratší vlnové délky. Ve viditelné oblasti proto převládá modrá až modrobílá složka. Přesný odstín ovlivňuje také absorpce prostředí a citlivost detektoru.
Co je Super‑Kamiokande a jak používá Čerenkovovo záření?
Super‑Kamiokande je japonský vodní detektor neutrin naplněný přibližně 50 000 tunami ultračisté vody. Když neutrino vzácně interaguje s jádrem nebo elektronem, vznikne rychlý nabitý produkt, například elektron nebo muon. Ten vyvolá Čerenkovův záblesk, jehož tvar a směr pomáhají určit vlastnosti původního neutrina.
Kdo byl Vavilov a proč nesdílel Nobelovu cenu?
Sergej I. Vavilov byl Čerenkovův vedoucí a významně přispěl k rozpoznání, že pozorované světlo je nový fyzikální jev, nikoli běžná fluorescence. Zemřel v roce 1951, sedm let před udělením Nobelovy ceny. Nobelova cena se běžně neuděluje posmrtně.

Další informace

Časté překlepy a varianty: Čerenkov, Cherenkov, Tscherenkov, Cerenkov, Pavel Alekseyevich Cherenkov.

Pojmenováno po Čerenkovovi

Související