23 октября 1908 года в Санкт-Петербурге родился Илья Михайлович Франк - один из величайших физиков XX века, чьи исследования превратили загадочное явление в мощный инструмент научных измерений. Его имя навсегда вошло в историю физики благодаря теоретическому объяснению эффекта Вавилова-Черенкова - явления, которое ежедневно используется в экспериментах по всему миру, от ядерных реакторов до обсерваторий космических лучей на Южном полюсе.
От оптики к ядерной физике:
Франк окончил Московский университет в 1930 году, где получил хорошую теоретическую подготовку под руководством выдающихся физиков. Свою научную карьеру он начал в Государственном оптическом институте в Ленинграде, где занимался исследованиями оптических свойств веществ.
В начале 1930-х годов Франк участвовал в знаменитых Эльбрусских экспедициях - комплексных исследованиях космических лучей, проводившихся на ледниках Большого Кавказа на высотах более 3000 метров. Вместе с физиками Владимиром Векслером и Павлом Черенковым он собирал экспериментальные данные.
Поворотный момент в судьбе Ильи Михайловича наступил в 1934 году, когда он перешёл на работу в Физический институт Академии наук имени П.Н. Лебедева (ФИАН) - одно из ведущих научных учреждений СССР. Здесь он присоединился к исследовательской группе академика Сергея Вавилова, который пригласил его участвовать в экспериментах аспиранта Павла Черенкова.
Загадка голубого свечения:
История началась с простого наблюдения. В 1934 году Павел Черенков, работая под руководством Вавилова, обнаружил слабое голубое свечение в растворах ураниловых солей, облучаемых гамма-лучами радия. Это свечение не объяснялось известными механизмами люминесценции. Первые эксперименты Черенкова выявили странные свойства этого излучения:
- Свечение наблюдалось у всех прозрачных жидкостей (воде, спирте, различных растворах), независимо от их химического состава
- Излучение было поляризовано с преимущественным направлением вдоль траектории частиц
- В отличие от люминесценции, не наблюдалось ни температурного тушения, ни влияния примесей
- Свечение имело направленность - испускалось под определённым углом к направлению движения частиц
Сергей Вавилов, анализируя эти результаты, сделал революционное предположение: свет излучают не гамма-кванты, а быстрые электроны, выбиваемые из электронных оболочек атомов гамма-лучами (эффект Комптона).
Франк активно участвовал в проведении этих опытов и тщательно анализировал полученные данные. Однако самого Вавилова не удовлетворяло его объяснение - ему не хватало строгой теоретической основы.
Теория Франка-Тамма:
В 1937 году, спустя три года после экспериментального открытия, Игорь Тамм и Илья Франк дали явлению теоретическое объяснение. Их работа стала одним из самых изящных примеров теоретической физики - простого по сути, но содержательного по смыслу.
Представьте сверхзвуковой самолёт, летящий быстрее звука. Когда он разрезает воздух, звуковые волны не успевают "разойтись" перед ним, и вместо этого образуется ударная волна в форме конуса. Нечто похожее происходит и со светом в жидкой среде.
Ключевой момент: хотя ничто не может двигаться быстрее света в вакууме (300 000 км/с), в материальных средах свет замедляется. Например:
- В воде скорость света составляет примерно 225 000 км/с
- В стекле (n ≈ 1,5) - около 200 000 км/с
- В плотных средах скорость света замедляется ещё сильнее
Высокоэнергетический электрон, влетевший в прозрачную среду, может двигаться быстрее света в этой среде. Когда происходит такое опережение, электрон создаёт ударную волну в электромагнитном поле - точно так же, как сверхзвуковой самолёт создаёт звуковую ударную волну.
Триумф теории:
Одним из первых успехов была способность теории объяснить поляризацию излучения Черенкова. В отличие от люминесценции, где электрический вектор колеблется перпендикулярно направлению распространения света, в излучении черенкова вектор напряжённости поля параллелен траектории частицы. Это предсказание прекрасно согласовалось с экспериментами.
Ещё Франк, совместно с будущим лауреатом Нобелевской премии Виталием Гинзбургом, создал теорию переходного излучения - явления, которое возникает, когда быстрая частица пересекает границу между двумя средами с разными диэлектрическими свойствами. Это предсказание было экспериментально подтверждено 12 лет спустя.
Нобелевская премия 1958 года:
Кульминацией признания стала Нобелевская премия по физике в 1958 году, присуждённая Павлу Черенкову, Игорю Тамму и Илье Франку «за открытие и интерпретацию эффекта Вавилова-Черенкова».
Это был огромный успех советской науки - впервые Нобелевскую премию по физике получили сразу три советских учёных. На церемонии награждения в Шведской королевской академии наук Манне Сигбан отметил:
«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».
Сам Франк объяснял суть явления с дивной простотой: «Если частица быстрее света в среде, она рождает свет, как корабль волну на воде».
Научное наследие:
После войны Франк стал одним из столпов советской ядерной физики. В 1946 году он организовал лабораторию атомного ядра ФИАН, которая стала центром исследований ядерных реакций, взаимодействия быстрых нейтронов и процессов деления ядер. Франк принимал участие в:
- Организации первых черенковских телескопов для регистрации космических лучей.
- Внедрении метода в ядерную физику.
- Разработке детекторов для ускорителей элементарных частиц.
- Советском атомном проекте.
С 1957 года Франк был назначен директором лаборатории нейтронной физики в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, где продолжил плодотворную научную деятельность. Долгие годы Илья Михайлович читал лекции в Московском государственном университете, где воспитал целое поколение советских физиков.
Сегодня эффект Вавилова-Черенкова является одним из основных инструментов экспериментальной физики:
- Счётчики Черенкова используются во всех больших ускорителях элементарных частиц - от Большого адронного коллайдера в ЦЕРНЕ до планируемого коллайдера FCC (Будущего кольцевого коллайдера). Они позволяют с высочайшей точностью определять скорость частиц и их идентифицировать.
- В ядерных реакторах наблюдается характерное голубое (или голубовато-фиолетовое) свечение - знаменитое "черенковское свечение". Это позволяет операторам реакторов визуально оценить активность реактора и обнаружить потенциальные проблемы.
- Одно из самых впечатляющих применений эффект в нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе. Эта гигантская "лаборатория во льду" занимает объём в один кубический километр и содержит 5160 цифровых оптических модулей - высокочувствительных детекторов фотонов.
Франк продолжал активную научную и педагогическую деятельность до конца жизни. 22 июня 1990 года он скончался в Москве в возрасте 81 года, оставив после себя огромное научное наследие и плеяду учеников, которые продолжили развивать его идеи.
Когда мы смотрим на голубое свечение в ядерном реакторе или анализируем данные от IceCube на Южном полюсе, мы имеем дело с научным наследием человека, который понял, что физика не только описывает мир, но и открывает новые способы его изучения.
Читайте так же:
17 ноября 1978 г. Первое испытание нейтронной бомбы в СССР.
Источники:
- Википедия: Франк, Илья Михайлович.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Франк,_Илья_Михайлович - Википедия: Эффект Вавилова - Черенкова.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Вавилова_—_Черенкова - ОСНМЕДИА:
https://www.osnmedia.ru/1000/ilya-frank/ - JINR (ОИЯИ): Вспоминая основателей.
https://www.jinr.ru/posts/ilya-mihajlovich-frank-pervyj-direktor-lnf-oiyai-i-nobelevskij-laureat/ - JINR (ОИЯИ): Новый детектор в обсерватории IceCube
https://www.jinr.ru/posts/novyj-detektor-v-observatorii-icecube-pozvolit-luchshe-izuchit-nejtrino/ - Виталий Гинзбург на сайте МИЭМ МГТУ
https://museum.mipt.ru/выдающиеся-личности - Книга "Черенковский детектор": физико-методический материал
http://prac-gw.sinp.msu.ru/lsp/Lab_cherenok.pdf
#ИльяФранк #Черенков #Тамм #эффектЧеренкова #история_науки #НобелевскаяПремия1958 #физикаСССР #научныедискаверия