Эффект Вавилова — Черенкова

Эффе́кт Вави́лова — Черенко́ва, эффе́кт Черенко́ва, излуче́ние Вави́лова — Черенко́ва, черенко́вское излуче́ние — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде^[1].

Излучение Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости исследовательского реактора ATR^[англ.] Национальной лаборатории Айдахо.

В 1958 году Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой: «За открытие и истолкование эффекта Черенкова».

Детекторы, регистрирующие черенковское излучение, широко используются в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей и направлений движения. Если известна масса порождающих черенковское излучение частиц, то сразу определяется их кинетическая энергия.

История открытия

В 1934 году П. А. Черенков, выполняя в лаборатории С. И. Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение неизвестной природы^[2]. Позже было установлено, что это свечение вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими фазовую скорость света в среде. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением.

Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны.

Первая попытка объяснения излучения, оказавшаяся неудачной, была предпринята С. И. Вавиловым^[3]. Правильное теоретическое объяснение явления было дано И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 году^[4].

В 1958 году Черенков, Тамм и Франк были награждены Нобелевской премией по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения премии отметил, что «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».

Механизм возникновения и направление распространения излучения

Анимация возникновения излучения Вавилова — Черенкова

Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы с высокими энергиями, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

Но в оптически прозрачных средах скорость быстрых заряженных частиц может быть больше фазовой скорости света в этой среде. Действительно, фазовая скорость света в среде ${\displaystyle c_{m}}$ равна скорости света в вакууме ${\displaystyle c}$, делённой на показатель преломления среды ${\displaystyle n}$: ${\displaystyle c_{m}=c/n}$. При этом вода, например, имеет показатель преломления 1,33, а показатели преломления различных марок оптических стёкол лежат в пределах от 1,43 до 2,1. Соответственно, фазовая скорость света в таких средах составляет 50—75 % от скорости света в вакууме. Поэтому оказывается, что релятивистские частицы, скорость которых близка к скорости света в вакууме, движутся в таких средах со скоростью, превосходящей фазовую скорость света.

Возникновение излучения Черенкова аналогично возникновению ударной волны в виде конуса Маха от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например, ударная конусообразная волна в воздухе от сверхзвукового самолёта или пули.

Пояснить это явление можно по аналогии с волнами Гюйгенса, из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причём каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица движется быстрее скорости распространения света в среде, то она обгоняет световые волны. Совокупность касательных прямых к сферическим волновым фронтам, проведённых из точки, проходящей через частицу, образует круговой конус — волновой фронт излучения Черенкова.

Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде:

${\displaystyle \sin \phi ={\frac {c}{n\cdot v_{p}}},}$

где: ${\displaystyle \phi }$ — половина угла при вершине конуса;

${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме;

${\displaystyle v_{p}}$ — скорость частицы.

${\displaystyle n}$ — показатель преломления.

Таким образом, угол раскрытия конуса излучения Черенкова позволяет определить скорость частицы. Угол раскрытия измеряют с помощью какой-либо оптической системы, на этом принципе работают черенковские детекторы релятивистских частиц.

Интересные следствия

• Распространённое 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^[5]. Существуют гипотезы, что большие глаза нужны глубоководным созданиям затем, чтобы видеть при столь слабом освещении.
• На образование излучения, испускаемого частицей, затрачивается её кинетическая энергия, соответственно, в процессе излучения скорость частицы уменьшается.

См. также

• Черенковский детектор
• Конус Маха
• Переходное излучение
• Эффект Аскарьяна

Примечания

1. «Черенкова – Вавилова излучение». Франк И. М. // Физическая энциклопедия / гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 448−450. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
2. П. А. Черенков. Видимое свечение чистых жидкостей под действием γ-радиации // ДАН СССР. — 1934. — Т. 2, № 8. — С. 451—457.
3. С. И. Вавилов. О возможных причинах синего γ-свечения жидкостей // ДАН СССР. — 1934. — Т. 2, № 8. — С. 457—461.
4. И. Е. Тамм, И. М. Франк. Когерентное излучение быстрого электрона в среде // ДАН СССР. — 1937. — Т. 14, № 3. — С. 107—112.
5. Измерение фонового свечения на больших глубинах в океане Архивная копия от 16 февраля 2019 на Wayback Machine (англ.)

Литература

• Вавилов С. И. Новый вид свечения // Правда : газета. — 1945. — № 51 (9822) (1 марта). — С. 2.