26 июня 2025 года исполняется 130 лет со дня рождения Игоря Евгеньевича Тамма (1895–1971) – российского физика-теоретика, академика АН СССР, лауреата Нобелевской премии по физике.
Игорь Тамм получил широкую мировую известность благодаря своим фундаментальным работам, таким, например, как: фотоэффект в металлах; особые энергетические уровни электронов вблизи поверхности кристаллов; квантовая теория рассеяния света в кристаллах. Спустя четверть века эти работы Тамма легли в основу базовых принципов разработки транзисторной техники.
В возрасте всего 38 лет Тамм был избран членом-корреспондентом АН СССР по отделению математических и естественных наук. Игорь Тамм был одним из ведущих разработчиков термоядерного оружия СССР. В 1953 году Тамм стал академиком АН СССР по отделению физико-математических наук.
Среди прочих научных достижений Игоря Тамма особую роль играет создание теории «Черенковского излучения» – ЧИ, за что вместе с Ильёй Михайловичем Франком и Павлом Алексеевичем Черенковым получил в 1958 году Нобелевскую премию по физике.
В 1934 году аспирант С.И. Вавилова Павел Алексеевич Черенков обнаружил, что заряженные элементарные частицы, проходя с очень большими скоростями сквозь воду, испускают свет. В 1937 году Илья Франк и Игорь Тамм дали теоретическое объяснение этому эффекту.
Игорь Тамм показал, что ЧИ можно использовать как своего рода «световую подпись» заряженных частиц, движущихся в прозрачной среде, со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.
Излучение возникает только при условии v > c/n, где n – показатель преломления среды, v – скорость частицы, с – скорость света. Таким образом, ЧИ представляет собой яркий пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильной интерпретации может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований.
Эффект Черенкова широко используется в настоящее время, в первую очередь – в классических приложениях ядерной физики. В нейтринной обсерватории Super-Kamiokande (Япония) для регистрации ЧИ используется резервуар с 50 000 тонн сверхчистой воды, окружённый 11 000 фотоумножителей. В колоссальной установке IceCube на Южном полюсе в качестве детектирующей среды применяется лёд, в котором на глубине до 2,5 км размещены более 5000 ультрабыстрых ФЭУ.
Космические лучи сверхвысоких энергий, сталкиваясь с атмосферой Земли, вызывают ливни вторичных частиц, которые, в свою очередь, стимулируют вспышки ЧИ в атмосфере. Эти вспышки изучаются с помощью наземных телескопов, например, с помощью американской системы VERITAS.
В то же время ЧИ используется в самых передовых проектах ядерной физики. Так, в «Большом адронном коллайдере» (БАК) используют детекторы RICH (Ring Imaging Cherenkov), которые работают именно по принципам, описанным Таммом. Когда частица проходит через радиатор, возникающее ЧИ фокусируется в кольцо на фотодетекторе. Радиус кольца зависит от скорости частицы, что позволяет различать пионы, каоны и протоны с одинаковым импульсом. Кольцевые детекторы ЧИ (RICH) играют значительную роль в экспериментах по физике частиц и ядерной физике, обеспечивая идентификацию частиц. Они работают исключительно хорошо для идентификации адронов, поскольку существует мало других методов, которые могут различать пионы, каоны и протоны в многогигаэлектронвольтном диапазоне импульсов.
В последние годы появляется всё больше исследований внутренней динамики ЧИ, характеризующейся временны́ми масштабами в субфемтосекундном диапазоне, которые по-новому раскрывают особенности этого явления, отсутствующие в общей квантовой теории. Например, существует исследование, показывающее, что ЧИ содержит ранее неизвестные квантовые эффекты на аттосекундных временны́х масштабах, включая парадоксальное «отрицательное время распространения».
Крайне интересны опыты с «обращённым ЧИ», при котором заряженная частица, движущаяся со сверхсветовой скоростью в веществе, испускает когерентное радиоволновое излучение, направленное не вперёд, как в обычном ЧИ, а назад, к источнику частицы. Этот новый механизм обращённого ЧИ может найти применение в компактных источниках света и детекторах частиц нового поколения.
Черенковское излучение применяется в современной медицине. Например, в новейших моделях ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) используются методы, которые преобразуют гамма-кванты в видимый свет через механизм ЧИ.
Недавно открытый метод смещения спектра ЧИ из голубого в красную область даёт возможность более детального обследования внутренних органов.
Поразительные результаты дают эксперименты с изображениями цветного ЧИ, исходящего от пациентов во время лечения. Цветовые оттенки ЧИ в лучевой терапии могут использоваться для интерпретации объёма крови в тканях, насыщения кислородом и основных сосудов внутри тела.
Перечисленные приложения стимулировали развитие следующих сверхбыстрых электронных устройств.
- Детекторы Черенковского излучения – Ring Imaging Cherenkov (RICH).
- Кремниевые фотоумножители (SiPM), способные регистрировать отдельные фотоны с временны́м разрешением в наносекунды.
- Высокочувствительные ПЗС-матрицы для регистрации слабых световых сигналов.
- АЦП с частотой дискретизации до ГГц для точной регистрации формы импульсов.
- Сверхбыстрые системы реального времени для обработки потоков данных.
- Специализированные ПЛИС для наносекундной обработки сигналов.
Кроме того, работы Игоря Тамма вызвали появление новых устройств с уникальными оптическими свойствами, таких, например, как аэрогели с точно заданным показателем преломления и кварцевое стекло с ультранизким поглощением.
Также теоретические работы Игоря Тамма оказали влияние и на многие другие области электроники, начиная с проектирования мощных лазеров и солнечных батарей до создания установок управляемого термоядерного синтеза.
Все эти вопросы будут рассмотрены в следующем номере журнала в статье, посвящённой юбилею Игоря Евгеньевича Тамма.
© СТА-ПРЕСС, 2025
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
