2. Излучение ВавиловаЧеренкова
П.А. Черенков, изучая люминесценцию прозрачных жидкостей под действием гаммаизлучения, обнаружил в 1934 г. слабое голубоватое свечение жидкости. Анализ свойств этого излучения показал, что оно не имеет ничего общего с люминесценцией, т. к. оно наблюдалось во всех жидкостях независимо от их химического состава. Интенсивность излучения практически не зависела ни от содержания в ней примесей, ни от температуры жидкости. Вавилов предположил, что обнаруженное Черенковым излучение, связано с движением в веществе свободных электронов, возникающих под действием гаммалучей на молекулы (атомы) жидкости. Попытка объяснить это излучение торможением электронов в жидкостях окончилась неудачей.
Электромагнитное излучение имеет широкий диапазон от радиоволн до лучей, включая видимую часть оптического спектра.
Большая часть электромагнитного излучения обусловлена движением электронов, совершающих переход из одного состояния в другое.
Как показали Франк и Тамм, это положение основывается на предположении, что никакая заряженная частица не может двигаться, имея скорость (v) больше скорости света (c) в вакууме. Заряженная частица, движущаяся прямолинейно и равномерно в вакууме не излучает электромагнитных волн. Движущийся заряд переносит с собой свое статическое электрическое поле, движение которого в пространстве вызывает магнитное поле, перемещающееся также с зарядом. Например, движение электронов в проводнике можно считать равномерным и это движение создает статические электрические и магнитные поля. В прозрачных диэлектриках фазовая скорость видимого света меньше скорости света в вакууме: vф = u = с/n < v < c, где n абсолютный показатель преломления вещества, т. е. заряженная частица, может двигаться со сверхсветовой скоростью (v) в веществе.
В 1904 г. Зоммерфельд теоретически доказал, что электрон при движении со сверхсветовой скоростью в вакууме становится источником излучения. Тамм и Франк показали, что любая заряженная частица, движущаяся в веществе равномерно и прямолинейно со сверхсветовой скоростью, излучает электромагнитные волны (излучение Вавилова Черенкова).
Следует заметить, что в процессе излучения Вавилова Черенкова энергия и скорость электрона, уменьшается за счет торможения, но в отличие от тормозного излучения, являющегося следствием изменения скорости частицы, уменьшение скорости электрона при эффекте ВавиловаЧеренкова само является следствием излучения. Если бы электрон двигался в жидкости равномерно с постоянной сверхсветовой скоростью, то излучение ВавиловаЧеренкова все равно имело бы место, тогда как никакого тормозного излучения частицы не наблюдалось бы. Рассмотрим это явление подробнее. Пусть заряженная частица движется в веществе вдоль оси ОХ с постоянной скоростью до световой скоростью (v).
Заряженная частица при движении в жидкости вызывает кратковременную поляризацию вещества в тех точках, через которые она проходит при своем движении. Поэтому молекулы среды, лежащие на пути движения частицы, становятся кратковременно действующими когерентными источниками вторичных элементарных электромагнитных волн, интерферирующих при наложении. Если v<u = c/n, то вторичные волны гасят друг друга.
Пусть заряженная частица (рис.1.1) в моменты времени t и t + t находится соответственно в точках А и С, расстояние между которыми s = vt.
Рис.1
,
составляющем угол
с вектором скорости
можно найти из равенства, т. е.
=FM = (u vcos)t = s[u/ (v cos)].
Для каждого значения длины волны излучения можно найти такое значение s = s, при котором = /2, так что элементарные вторичные волны гасят друг друга, т. е.
.
При s = s
излучение в направлении
из любой точки В отрезка АС траектории
заряженной частицы гасится при
интерференции в том же направлении из
сходной ей точки D соседнего участка
СЕ (СЕ=АС=
s),
отстоящей от точки В на расстояние ВD=
s.
Следовательно, при равномерном прямолинейном движении заряженной частицы в веществе с досветовой скоростью частица не излучает. Если же частица движется в веществе со сверхсветовой скоростью v>u=c/n, то значение s, удовлетворяющее условию минимуму интерференции вторичных волн
,
можно найти для всех , кроме значения = аrccos(u / v) = arccos [c / (nv)].
Для направления = разность хода вторичных волн, излучаемых из любых двух точек А и С траектории заряженной частицы, равна нулю:
=FM = (u vcos)t = 0.
Рис. 2
Образующие конуса
составляют с осью ОХ угол
= arccos[c/(nv)]. Свет поляризован так, что
вектор напряженности электрического
поля электромагнитной волны
направлен по нормали к поверхности
конуса, а вектор напряженности магнитного
поля электромагнитной волны
по касательной к ней.
Интенсивность излучения J определяется по формуле
где q заряд частицы; n – абсолютный показатель преломления среды; частота излучения; v – скорость частицы; с скорость света в вакууме.
Спектр излучения является непрерывным.
В области видимой части спектра, изза дисперсии света, абсолютный показатель преломления n вещества является функцией частоты.
Для больших частот показатель преломления вещества равен единице, и спектр излучения ВавиловаЧеренкова обрывается.
В видимой части спектра дисперсия проявляется в виде живописной картины, когда различные цвета излучаются движущимся зарядом под разными углами.
Максимум интенсивности излучения приходится на коротковолновую часть видимого спектра, и все излучение окрашивается преимущественно в синий цвет.
Эффект ВавиловаЧеренкова нашел широкое практическое применение в физике элементарных частиц.
На его основе созданы счетчики заряженных частиц Черенкова, с помощью которых можно не только регистрировать эти частицы, но и определять модуль и направление скорости движения частицы.