Эффект Вавилова-Черенкова

Эффект Вавилова — Черенкова (излучение Вавилова — Черенкова) — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.

История открытия

В 1934 году Павел Черенков проводил в лаборатории Сергея Вавилова исследования люминесценции жидкостей  под воздействием гамма-излучения  и обнаружил слабое голубое свечение, вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Позже  выяснилось, что эти электроны  двигались со скоростью выше скорости света в среде.

При прохождении света  через прозрачный материал, например стекло, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Теория относительности  гласит: ни одно материальное тело, включая  быстрые элементарные частицы высоких  энергий, не может двигаться со скоростью, равной скорости света в вакууме. Но к скорости движения в прозрачных средах это ограничение не относится. В стекле или в воде, например, свет распространяется со скоростью, составляющей 60-70% от скорости света в вакууме, и ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в  такой среде.

Черенкову удалось доказать,  что наряду с люминесценцией при  облучении жидкостей некоторыми радиоактивными β- и γ-источниками  появляется совершенно новый тип  свечения, многие характеристики которого прямо противоположны свойствам  люминесценции, а именно:

- интенсивность и спектр  излучения почти не зависят  от типа вещества, его чистоты  и температуры; 

- излучение связано с  движением в среде электронов (это было установлено в специальных  опытах, в

которых сосуд с исследуемой  жидкостью помещали в магнитное  поле);

- излучение поляризовано  и направлено вдоль пучка электронов;

- излучение имеет сплошной  спектр, максимум интенсивности  приходится на синюю часть  спектра; 

-  излучение имеет пороговый  характер;  оно не вызывается,  например,  рентгеновскими лучами  с максимальной энергией 30 КэВ. 

 

Обнаруженное Черенковым свечение носит универсальный характер в

том смысле,  что под  действием излучения с достаточной  энергией

"светятся" все прозрачные  тела, а не только жидкости.

 

Излучение Черенкова можно  наблюдать и невооруженным взглядом на небольших исследовательских  ядерных реакторах, которые часто  устанавливают на дне бассейна для  обеспечения радиационной защиты. Сердечник  реактора в этом случае окружен эффектным  голубым свечением — это и  есть излучение Черенкова под  воздействием быстрых частиц, излучаемых в результате ядерной реакции.

 

 

 

Механизм и геометрия излучения

Условие возникновения Ч.- В. и. и его направленность могут быть пояснены с помощью  принципа Гюйгенса. Каждую точку (А, В, С, D на рис. 1 и 2) траектории заряж. частицы следует считать источником волны, возникающей в момент прохождения через неё частицы. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, распространяющимися со скоростью и = с/n, где n-показатель преломления среды. Допустим, что частица, двигаясь равномерно и прямолинейно со скоростью u, в момент наблюдения находилась в точке E. За время t до этого она проходила через точку A (AE=ut). Волна, испущенная из А, к моменту наблюдения представится сферой радиусом R = ut; на рис. 1 и 2 ей соответствует окружность 1, а волнам, испущенным из В, С, D,- окружности 2, 3, 4. По принципу Гюйгенса в результате интерференции парциальные волны гасят друг друга всюду, за исключением их общей огибающей, к-рой соответствует волновая поверхность света, распространяющегося в среде.

Рис. 1. Движение заряженной частицы в среде со скоростью u < и. Сферы 1, 2, 3, 4 - положение парциальных волн, испущенных частицей из точек А, В, С, D соответственно.

Пусть u < u (рис. 1), тогда световые волны будут обгонять частицу на тем большее расстояние, чем раньше они испущены. Общей огибающей парциальные волны при этом не имеют - все окружности 1, 2, 3, 4 лежат одна внутри другой; следовательно, электрич. заряд при равномерном и прямолинейном движении со скоростью u < u свет не излучает.

Если  же частица движется быстрее, чем  распространяются световые волны, т. е. при

(где  b = u/c), то соответствующие волнам сферы пересекаются (рис. 2), их общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке E, совпадающей с мгновенным положением частицы, а нормали к образующим конуса определяют волновые векторы, т. е. направления распространения света. Угол q, к-рый составляет волновой вектор с направлением движения частицы, удовлетворяет отношению

Рис. 2. Движение заряженной частицы в среде со скоростью u > u. Угол между направлениями волнового вектора возникающего излучения и скоростью частицы равен q.

Применение

На основе излучения Черенкова - Вавилова разработаны экспериментальные  методы, которые широко применяются  в ядерной физике как для регистрации  частиц, так и для изучения их природы. Измерение q  в среде  (радиаторе)  с известным п или  определение порога излучения позволяют  получать скорость частицы. Установив  скорость частицы и определив  её энергию по отклонению в магнитном  поле, можно рассчитать массу частицы (это было, например, использовано при  открытии антипротона). Излучение Черенкова-Вавилова,  возникающее в атмосфере Земли, служит для изучения космических лучей.

 

Излучение Черенкова-Вавилова является примером оптики  «сверхсветовых»  скоростей и имеет принципиальное значение. Излучение Черенкова-Вавилова экспериментально и теоретически изучено  не только в оптически изотропных средах,  но и в кристаллах  (оптически анизотропные среды), теоретически рассмотрено излучение электрических  и магнитных диполей и мультиполей. Ожидаемые свойства излучения движущегося  магнитного заряда были использованы для поисков магнитного монополя. Рассмотрено излучение частицы  в канале внутри среды (например, излучение  пучка частиц внутри волновода).  При излучении Черенкова-Вавилова новые особенности приобретает эффект Доплера в среде:  появляются аномальный и сложный эффекты Доплера.  Можно полагать,  что всякая система частиц, способная взаимодействовать с электромагнитным полем, будет излучать свет за счёт своей кинетической энергии, если ее скорость превышает фазовую скорость света.

 

Теоретические представления, лежащие в основе излучения Черенкова-Вавилова, тесно связаны с др. явлениями, имеющими значение в современной  физике (волны Маха в акустике, вопросы  устойчивости движения частиц в плазме и генерации в ней волн, некоторые  проблемы теории ускорителей частиц, а также генерация и усиление электромагнитных волн).

На базе этого излучения  черенковскими счетчиками регистрируются многие высокоэнергетические излучения.

Черенковский  счетчик – детектор для регистрации частиц,  испускающих Черенкова-Вавилова излучение (которое преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлектронного умножителя). Применяется в ядерной физике и физике частиц высокой энергии.

 

Интересное следствие

Интересно, что распространенное ранее представление о том, что  на больших глубинах в океане царит  полный мрак, так как свет с поверхности  туда не доходит, является ошибочным. Как  следствие распада радиоактивных  изотопов в океанской воде, в частности, калия-40, даже на больших глубинах вода слабо светится из-за эффекта Вавилова — Черенкова. Существуют гипотезы, что большие глаза нужны глубоководным  созданиям затем, чтобы видеть при  столь слабом освещении.