Student World

Před sto lety, 28. července 1904, se narodil ruský fyzik Pavel Alexejevič Čerenkov, jemuž byla společně s I. M. Frankem a I. J. Tammem v roce 1958 udělena Nobelova cena za fyziku – konkrétně za objev a objasnění tzv. Čerenkovova efektu. Dnes se tohoto zvláštního jevu využívá v detektorech částic, např. pro detekci velmi lehkých neutrin.

Pavel Alexejevič Čerenko (1904-1990) se společně se svým spolupracovníkem Sergejem Ivanovičem Vavilovem zabývali v Lebeděvově fyzikálním ústavu v Moskvě studiem luminiscence. V roce 1934 Čerenkov zjistil, že zření gama při průchodu kapalinou vydává slabé modravé světélkování, přičemž jasnost tohoto světélkování byla v průhledných kapalinách jen málo závislá na jejich chemickém složení. Podobný efekt pozoroval i u tuhých průhledných těles. Vlastně to nebyla úplná novinka, neboť toto záření pozorovali fyzikové již předtím, ale považovali ho za obyčejnou luminiscenci. Čerenvov se s tímto vysvětlením nespokojil a provedl řadu pokusů, aby objasnil podstatu tohoto jevu.

Na základě výsledků těchto pokusů vyslovil Vavilov domněnku, že zdrojem světélkování jsou elektrony, které vznikají v látce působením záření gama. Tato hypotéza ale nebyla přesná. Po několik let neuměl nikdo tajemné „Čerenkovovo záření“ vysvětlit, i když se postupně stalo pro fyziky experimentálním nástrojem
(viz též článek Bruno Rossi a kosmického záření http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/D344267270B23006C1256E970049004B?OpenDocument&cast=1).
Problému se v roce 1937 ujali fyzikové Ilja Michajlovič Frank a Igor Jevgenjevič Tamm, kteří na základě klasické elektrodynamiky vypracovali přesnou teorii uvedeného jevu. Čerenkovův efekt je vlastně elektromagnetickou obdobou zvukové rázové vlny. Částice, která se pohybuje v průzračném prostředí rychleji, než je fázová rychlost světla v daném prostředí, vyvolává ono záření, které Čerenkov s úžasem pozoroval a které bylo na jeho počest nazváno „Čerenkovovo záření“. Trvá do té doby, pokud je částice rychlejší než světlo (které se v průzračném prostředí šíří pomaleji než ve vakuu).

Čerenkovův efekt je možno pozorovat v nádržích jaderných reaktorů, kde se uranové palivo nachází v kapalině sloužící jako moderátor neutronů. Voda v nádrži působením záření gama dostává plastický modravý svit. Prakticky se Čerenkovova jevu využívá ke zkoumání pohybu částic vysoké energie, na jeho principu se konstruují speciální detektory (tzv. Čerenkovovy detektory), jimiž je možno měřit energii těchto částic. Jedná se o detektor částic pohybujících se v optickém prostředí; využívá se toho, že nabitá částice (elektron, proton, atomové jádro), letící v daném prostředí rychleji než světlo (v tomto prostředí), vyšle záblesk světla. Ten je zaznamenán fotometrem či čidlem CCD (Charge Coupled Device).

Na tomto principu funguje např. neutrinový detektor Super-Kamiokande, zařízení o hmotnosti 50 tisíc tun, které vzniklo ve spolupráci japonských a amerických vědců za účelem studia slunečních neutrin. Jde o obrovskou válcovou nádobu z nerezové oceli o průměru 40 metrů a výšky 40 metrů, která je naplněna čistou vodou; na vnitřních stěnách je umístěno celkem 13 tisíc velmi citlivých fotometrů. Tento podivuhodný přístroj byl umístěn do hloubky 2 700 metrů pod povrchem v dole u japonského města Kamioka. Neutrino, které se srazí s jádrem kyslíku (přesněji řečeno s jeho neutronem) v molekule vody poskytne energii ke vzniku částice (elektronu, mionu, tauonu), která se od jádra pohybuje přibližně ve směru příchozího neutrina. Její rychlost je téměř stejná jako rychlost světla ve vakuu (tedy asi 300 tisíc km/s). Protože rychlost světla ve vodě je nižší než ve vakuu (zhruba o jednu čtvrtinu), vzniklá částice prolétávající vodou vybudí Čerenkovovo záření. Jeho záblesk zachytí fotonásobič. Pomocí počítače lze pak stanovit směr částice, která přibližně odpovídá původní dráze letu neutrina. Tímto způsobem se poprvé podařilo uvidět „neutrinové Slunce“.

Další informace:
Pavel A. Cherenkov
http://www.nobel.se/physics/laureates/1958/cerenkov-bio.html

Cherenkov Radiation
http://rd11.web.cern.ch/RD11/rkb/PH14pp/node26.html

Cerenkov Radiation
http://dept.physics.upenn.edu/balloon/cerenkov_radiation.html

The Principle of the Radio Detection of Neutrinos
http://aether.lbl.gov/www/projects/neutrino/rand/radiodet.html

Super-Kamiokande Official Home Page
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk

autor Jan Kapoun