Физическая энциклопедия
- ЧЕРЕНКОВА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ
-
(Черенкова -- Вавилова эффект), излучение света электрически заряженной ч-цей, возникающее при её движении в среде с пост. скоростью v, превышающей фазовую скорость света в этой среде (скорость распространения световых волн). Обнаружено в 1934 при исследовании П. А. Черенковым g-люминесценции р-ров как слабое голубое свечение жидкостей под действием g-лучей. Эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили характерные особенности излучения: 1) свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причём его яркость мало зависит от их хим. состава; 2) излучение имеет поляризацию с преим. ориентацией вектора напряжённости электрич. поля вдоль направления первичного пучка; 3) в отличие от люминесценции, не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. На основании этих данных Вавилов сделал основополагающее утверждение, что обнаруженное явление — не люминесценция, свет же излучают движущиеся в жидкости быстрые эл-ны, образующиеся при облучении в-ва. Ч.— В. и характерно не только для жидкостей, но и для тв. тел и газов. Свечение, вызываемое g-излучением, нек-рые учёные наблюдали и раньше (напр., франц. учёный М. Л. Малле, в 1926 — 1929 получивший фотографии его спектра). Однако оставалось непонятным то, что наблюдаемое излучение — новое, ещё не изучавшееся явление; не было установлено и наиб. характерное его св-во, обнаруженное Черенковым в 1936,— направленность под острым углом к скорости ч-цы.
Механизм Ч.— В. и. был выяснен в работе И. Е. Тамма и И. М. Франка (1937), содержавшей и количеств. теорию, основанную на ур-ниях классич. электродинамики. К тем же результатам привело и квант. рассмотрение (В. Л. Гинзбург, 1940).
Условие возникновения Ч.— В. и. и его направленность могут быть пояснены с помощью Гюйгенса принципа.
Рис. 1. Движение заряж. ч-цы в среде со скоростью v
Рис. 2. Движение заряж. ч-цы в среде со скоростью v>u. Угол между направлениями волнового вектора возникающего излучения и скоростью ч-цы равен q.
Каждую точку (А, В, С, D на рис. 1 и 2) траектории заряж. ч-цы следует считать источником волны, возникающей в момент прохождения через неё ч-цы. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, распространяющимися со скоростью u=c/n, где n — показатель преломления среды. Допустим, что ч-ца, двигаясь равномерно и прямолинейно со скоростью v, в момент наблюдения находилась в точке Е. За время t до этого она проходила через точку A (AE=vt). Волна, испущенная из А, к моменту наблюдения представится сферой радиуса 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 волн. поверхность света, распространяющегося в среде.
Пусть v < и (рис. 1), тогда световые волны будут обгонять ч-цу 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 v
Если же ч-ца движется быстрее, чем распространяются световые волны, т. е. при
v>u = c/n, или bn>1 (1)
(где b=v/c), то соответствующие волнам сферы пересекаются (рис. 2), их общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке Е, совпадающей с мгновенным положением ч-цы, а нормали к образующим конуса определяют волн. векторы, т. е. направления распространения света. Угол 6, к-рый составляет волн. вектор с направлением движения ч-цы (см. рис. 2), удовлетворяет отношению:
cosq=u/v=c/nv=l/bn. (2)
Такой же метод рассмотрения можно провести и для оптически анизотропной среды (в частности, для прозрачных кристаллов), в к-рой парциальные волны не явл. сферами. В этом случае обыкновенному и необыкновенному лучам будут соответствовать разные конусы и излучение будет возникать под разными углами 6 к направлению распространения ч-цы, согласно соотношению (2). Условие (1) для оптически анизотропных сред формулируется неск, иначе. Во всех случаях осн. ф-лы теории хорошо согласуются с опытом.
Расчёт показывает, что в оптически изотропной среде ч-ца с зарядом е, прошедшая расстояние в 1 см со скоростью v > и, излучает энергию:
(w=2pc/l — круговая частота света, l — дл. волны излучаемого света в вакууме). Подынтегральное выражение отражает распределение энергии в спектре Ч.— В. и.
В жидкостях и тв. в-вах условие (1) начинает выполняться для эл-нов уже при энергиях =105 эВ, для протонов, масса к-рых в =2000 раз больше электронной,— при энергиях =108 эВ. На основе Ч.— В. и. разработаны широко применяемые эксперим. методы для регистрации ч-ц высоких энергий, измерения их скорости. Приборы, применяемые для этой цели, наз. черенковскими счётчиками. Эти методы позволяют также рассчитывать массу ч-ц (это, напр., было использовано при открытии антипротона).
Ч.— В. и. может наблюдаться в чистом виде только в идеальных случаях, когда заряж. ч-ца движется с пост. скоростью в радиаторе неогранич. длины. В тонком радиаторе, удовлетворяющем условию (1), Ч.— В. и. неотделимо от переходного излучения, возникающего при пересечении ч-цей границы раздела 2 сред с разными коэфф. преломления.
В 1940 Э. Ферми обобщил теорию Ч.— В. и., приняв во внимание, что реальная среда обладает способностью поглощать свет по крайней мере в нек-рых областях спектра. Полученные им результаты внесли существ. уточнения в теорию ионизац. потерь заряж. ч-цами (эффект поляризации среды).
Ч.— В. и. явл. примером оптики «сверхсветовых» скоростей и имеет принципиальное значение. Ч.— В. и. экспериментально и теоретически изучено не только в оптически изотропных средах, но и в кристаллах, теоретически рассмотрено излучение электрич. и магн. диполей и мультиполей. Ожидаемые св-ва излучения движущегося магн. заряда были использованы для поисков магнитного монополя. Рассмотрено излучение ч-цы в канале внутри среды (напр., излучение пучка ч-ц внутри волновода) и др. Новые особенности приобретает Доплера эффект в среде: появляются т. н. аномальный и сложный Доплера эффекты. Можно полагать, что всякая система ч-ц, способная взаимодействовать с эл.-магн. полем, будет излучать свет за счёт своей кинетич. энергии, если её скорость превышает фазовую скорость света.
Теор. представления, лежащие в основе Ч.— В. и., тесно связаны с др. явлениями, имеющими важное значение в совр. физике (волны Маха в акустике, вопросы устойчивости движения ч-ц в плазме и генерации в ней волн, нек-рые проблемы теории ускорителей, а также генерация и усиление эл.-магн. волн).
Энциклопедический словарь
ЧЕРЕНКОВА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ
ЧЕРЕНКО́ВА — ВАВИ́ЛОВА ИЗЛУЧЕ́НИЕ (эффект Вавилова — Черенкова), возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света(см. ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ) в этом веществе.
Обнаружено в 1934 г. П. А. Черенковым(см. ЧЕРЕНКОВ Павел Алексеевич) при исследовании свечения растворов солей урана под действием g-лучей радия. Оказалось, что все чистые прозрачные жидкости при пропускании через них g-лучей начинают светиться. При этом яркость свечения мало зависела от химического состава жидкостей, излучение имело поляризацию с преимущественной ориентацией электрического вектора вдоль направления первичного пучка, и, в отличие от люминесценции(см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ), не наблюдалось ни температурного, ни примесного тушения. С. И. Вавиловым(см. ВАВИЛОВ Сергей Иванович), под руководством которого работал П. А.Черенков, была высказана гипотеза, что свечение связано с движением быстрых электронов, возникающих под действием g-лучей в результате Комптона эффекта(см. КОМПТОНА ЭФФЕКТ), выбиваемых g-квантами радия, а не вызвано люминесценцией жидкости.
Природа излучения была объяснена в 1937 г. И. Е. Таммом(см. ТАММ Игорь Евгеньевич) и И. М. Франком(см. ФРАНК Илья Михайлович). В 1958 г. П. А.Черенков, И. Е.Тамм и И. М.Франк за открытие и объяснение этого эффекта были удостоены Нобелевской премии по физике.
Пока заряженная частица движется со скоростью v < c/n, (с — скорость света в вакууме, а n — показатель преломления света данной среды), она может излучать электромагнитные волны лишь при ускоренном движении. Тамм и Франк показали, что при скорости движения частицы v > c/n, даже двигающейся равномерно, происходит излучение электромагнитных волн.
Условие возникновения излучения Вавилова —Черенкова и его направленность могут быть пояснены с помощью принципа Гюйгенса — Френеля(см. ГЮЙГЕНСА — ФРЕНЕЛЯ ПРИНЦИП). Для этого каждую точку траектории заряженной частицы считают источником волны, возникающей в момент прохождения через нее заряда. Под действием электрического поля движущегося электрона среда поляризуется. Поляризуясь и возвращаясь затем в исходное состояние, атомы среды, расположенные вдоль движения электрона, испускают электромагнитные световые волны. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, так как они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью u = с/n. Если скорость электрона v меньше скорости распространения света в среде, то электромагнитное поле обгоняет электрон, и вещество успеет поляризоваться в пространстве перед электроном. Так как поляризация среды перед электроном и за ним противоположны по направлению, излучения противоположно поляризованных атомов гасятся. Когда скорость движения электрона в прозрачной среде превышает фазовую скорость распространения света в этой среде, возникает излучение. Это излучение распространяется лишь по направлениям, составляющим острый угол с траекторией частицы, т.е. вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением скорости частицы, при этом:
cosq = c/nv.
Скорость света в оптически анизотропных средах зависит от направления его распространения, поэтому парциальные волны в этом случае не являются сферами. Поэтому обыкновенному и необыкновенному лучам будут соответствовать разные конусы, и излучение будет возникать под разными углами к направлению движения частицы.
Излучение Вавилова — Черенкова возникает не только при движении электрона в среде, но и при движении любой заряженной частицы, если она движется быстрее скорости света в этой среде. Для электронов в жидкостях и твердых телах такое условие начинает выполняться уже при энергиях ЧЕРЕНКОВА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ 105 эВ (такие энергии имеют многие электроны радиоактивных процессов). Более тяжелые частицы должны обладать большей энергией, например протон, масса которого в ЧЕРЕНКОВА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ2000 раз больше массы электрона, для достижения необходимой скорости должен обладать энергией ЧЕРЕНКОВА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ 108 эВ (такие протоны можно получить только в современных ускорителях).
На основе эффекта Вавилова — Черенкова разработаны экспериментальные методы исследования, которые широко применяются в ядерной физике как для регистрации частиц, так и для изучения их природы, определения их энергии, знака, заряда. При помощи черенковского счетчика(см. ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЕТЧИК) был открыт антипротон(см. АНТИПРОТОН).