Эффект Вавилова-Черенкова был открыт в 1934 г. советским физиком Павлом Алексеевичем Черенковым, работавшим в лаборатории, возглавляемой академиком Сергеем Ивановичем Вавиловым.

История открытия

Павел Алексеевич Черенков

Во время эксперимента по исследованию люминесценции («холодного» свечения) жидкостей под воздействием гамма-излучения молодой учёный обнаружил красивое голубое свечение, которое было довольно слабым. Его можно было наблюдать у всех чистых прозрачных жидкостей. Причём, в отличие от люминесценции, яркость этого свечения практически не зависела от химического состава жидкости. И ни температура, ни добавление примесей не влияли на его интенсивность. Кроме того, если люминесценция происходит равномерно во все стороны, то новое излучение было поляризовано и направлено вдоль пучка электронов. Обобщив свои наблюдения, Черенков пришёл к выводу, что свет излучается не жидкостью, а движущимися в ней быстрыми электронами. Открытое излучение было названо эффектом Вавилова-Черенкова .

Природу этого явления объяснили в 1937 г. советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк.

Игорь Евгеньевич Тамм

Илья Михайлович Франк

Излучение Вавилова-Черенкова

Нажать на изображение

Как же объяснить эффект Вавилова-Черенкова?

Мы знаем, что в вакууме свет движется с наивысшей скоростью, которой можно достичь. Согласно теории относительности, ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы (например, протоны или электроны), не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Но в любой другой прозрачной среде свет распространяется с меньшей скоростью. Например, скорость света в воде на треть меньше его скорости в вакууме. Поэтому скорость протонов или электронов может превысить скорость света в этой среде.

Как раз такая ситуация и наблюдалась в опыте Черенкова. Быстрые электроны, выбитые из атомов среды под воздействием гамма-излучения, двигались со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Согласно принципу Гюйгенса, в каждой точке поверхности, достигнутой сферической волной, возникает новая волна. Таким образом, каждую точку траектории электрона можно считать источником волны, возникающей в момент в момент её прохождения им. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью u = c/n , где u - скорость распространения волны; с - скорость света; n - показатель преломления среды.

Если частица движется быстрее световых волн, то она обгоняет волны и за время t пройдёт путь от точки А до точки Е, равный v·t , где v - скорость частицы. Радиус сферической волны, испущенной из точки А, будет равен R = u·t , или c/n·t . Пики амплитуд этих волн образуют волновой фронт (волновую поверхность, до которой дошли колебания). Его называют волновым фронтом Черенкова. Он выглядит, как конус с вершиной в точке Е. Нормали к образующим конуса показывают направление движения световых волн.

Угол между нормалью и направлением движения частиц зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Поэтому вычислив этот угол, можно вычислить и скорость частицы.

Связь между величиной этого угла и скоростью частицы определяет формула:

Практическое применение эффекта Вавилова-Черенкова

Свечение Черенкова довольно слабое. И, чтобы его увидеть, Черенкову приходилось подолгу сидеть в темноте, чтобы самый чувствительный в то время «фотоэлемент» - его глаз - смог это излучение разглядеть. Но в середине ХХ века были созданы фотоумножители, которые позволили фиксировать даже отдельные фотоны. Это дало толчок к практическому применению открытого учёным явления. В итоге появились черенковские детекторы, которые начали использовать для регистрации релятивистских частиц (частиц, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света).

Задача черенковкого детектора , или детектора черенковского излучения, - отделить тяжёлые частицы от более лёгких, косвенным образом определив их массы. Для этого определяют угол излучения черенковского света и вычисляют скорость частицы. Затем по искривлению траектории движения частицы в электромагнитном поле получают величину её импульса, что даёт возможность вычислить её массу и идентифицировать саму частицу.

По черенковскому излучению определяют содержание радионуклидов в воде напрямую, без применения специальных детекторов.

Эффект Вавилова-Черенкова широко применяется в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Детекторы Черенкова установлены в обсерваториях. Они используются во всём мире. Например, в Японии в лаборатории г. Камиока функционирует детектор «Супер-Камиоканде», вмещающий 50 тысяч тонн воды и 11 000 светочувствительных элементов.

Излучение Черенкова наблюдается в охлаждающей жидкости ядерного реактора. Его используют для контроля работы ядерных реакторов.

В 1958 г. Вавилов, Тамм и Франк стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им «за открытие и истолкование эффекта Черенкова».

Голубь во сне символизирует получение хорошего известия, покой, блаженство удовольствия, богатство и успех в делах.

Влюбленным такой сон предсказывает верность. Если ваш возлюбленный собирается в длительную поездку, то после такого сна вы должны верить, что он вернется к вам, а его поездка окажется выгодной.

Женатым сон о голубях предсказывает преданность супругов.

Бизнесменам сон о голубях обещает прирост состояния.

Видеть его летящим во сне - знак получения приятных известий об успехе.

Видеть голубя в небе - знак утешения в любви.

Воркующие голуби во сне обещают счастье влюбленным и счастливый брачный союз для женатых.

Кормить голубей с рук во сне - знак больших перемен в жизни, признания и почета. Иногда такой сон указывает на большую привязанность к вам какого-то человека.

Если во сне вы пытаетесь закрыть голубя в шкафу или буфете, а он вываливается оттуда, то ваши надежды на счастливый брак с вашим возлюбленным не оправдаются.

Матери сон о голубе предсказывает получение известие от любимого ребенка.

Ловить голубей во сне - к потерям; убивать - к разлуке или смерти близкого друга.

Голуби, летающие над вашим домом, сидящие у окна или на крыше, предвещают получение известий от близких людей.

Двух целующихся голубей видеть во сне - знак преданности вашего возлюбленного, взаимности, ласки.

Увидеть горлицу во сне - знак нежной привязанности для мужчин и получения хороших известий для женщин.

ЧЕРЕНКОВА -ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ (Черенкова - Вавилова эффект, иногда наз. Вавилова - Черенкова ) - излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при её движении в среде с пост. скоростью?, превышающей фазовую в этой среде (скорость распространения в ней световых волн). Обнаружено в 1934 при исследовании П. А. Черенковым?-люминесценции растворов как слабое голубое свечение жидкостей под действием g-излучения. 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 , свет же излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны, образующиеся при облучении вещества. Ч.- В. и. характерно не только для жидкостей, но и для твёрдых тел и газов. Свечение, вызываемое g-излучением, нек-рые учёные наблюдали и раньше (напр., M. Л. Малле, в 1926-29 получивший фотографии его спектра). Однако то, что наблюдаемое излучение - новое, ещё не изучавшееся явление, оставалось непонятым; не было установлено и наиб. характерное его свойство, обнаруженное Черенковым в 1936,- направленность излучения под острым углом к скорости частицы.

В 1937 И. E. Таммом и И. M. Франком были предложены механизм Ч.- В. и. и количеств. теория, основанная на ур-ниях классич. . К тем же результатам пришёл в 1940 В. Л. Гинзбург, осуществивший квантовое рассмотрение эффекта.

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 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 ско ростью u < и . Сферы 1 , 2 , 3, 4 - положение парциальных волн, испущенных частицей из точек А, В, С, D соответст венно .

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. 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 , 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 ско ростью u > u . Угол между направлениями волнового вектора возникающего излучения и скоростью части цы равен q .

Такой же метод рассмотрения можно провести и для оптически анизотропной среды (в частности, для прозрачных кристаллов, см. Оптическая анизотропия ),в к-рой парциальные волны не являются сферами. В этом случае обыкновенному и необыкновенному лучам будут соответствовать разные конусы и излучение будет возникать под разными углами q к направлению распространения частицы, согласно соотношению (2). Условие (1) для оптически анизотропных сред формулируется несколько иначе. Во всех случаях осн. ф-лы теории хорошо согласуются с опытом.

Расчёт показывает, что в оптически изотропной среде частица с зарядом е , прошедшая расстояние в 1 см со скоростью u>u , излучает энергию

(w = 2nc /l-круговая частота света, l - длина волны излучаемого света в вакууме). Подынтегральное выражение отражает распределение энергии в спектре Ч.- В. и.

В жидкостях и твёрдых веществах условие (1) начинает выполняться для электронов уже при энергиях ~ 10 5 эВ, для протонов, масса к-рых в ~2000 раз больше электронной,- при энергиях - 10 8 эВ. На основе Ч.- В. и. разработаны широко применяемые эксперим. методы для регистрации частиц высоких энергий, измерения их скорости. Приборы, применяемые для этой цели, наз. черепковскими счётчиками . Эти методы позволяют также рассчитывать массу частиц (это, напр., было использовано при открытии антипротона).

Ч.- В. и. может наблюдаться в чистом виде только в идеальных случаях, когда заряж. частица движется с пост. скоростью в радиаторе неогранич. длины. В тонком радиаторе, удовлетворяющем условию (1), Ч.- В. и. неотделимо от переходного излучения , возникающего при пересечении частицей границы раздела двух сред с разными коэф. 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. частицами (эффект среды).

Ч.- В. и. является 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 свойства излучения движущегося магн. заряда были использованы для поиска магнитного монополя . Рассмотрено излучение частицы в канале внутри среды (напр., излучение пучка частиц внутри волновода) и др. Новые особенности приобретает Доплера эффект в среде; появляются т. н. аномальный и сложный

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.

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.

Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд характерных особенностей излучения: свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причем яркость мало зависит от их химического состава, излучение имеет поляризацию с преимущественной ориентацией электрического вектора вдоль направления первичного пучка, 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 люминесценция жидкости, а свет излучают движущиеся в ней быстрые электроны.

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.
Теоретическое объяснение явления было дано И. Таммом и И. Франком в 1937 году.

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.

Изучая свечение раствора солей урана под действием -лучей радия, советский физик П. А. Черенков обратил внимание на то, что светится и сама вода, в которой солей урана нет. Оказалось, что при пропускании -лучей (см. Гамма-излучение) через чистые жидкости все они начинают светиться. С. И. Вавилов, под руководством которого работал П. А. Черенков, высказал гипотезу, что свечение связано с движением электронов, выбиваемых -квантами радия из атомов. Действительно, свечение сильно зависело от направления магнитного поля в жидкости (это наводило на мысль, что его причина - движение электронов).

Но почему движущиеся в жидкости электроны испускают свет? Правильный ответ на этот вопрос в 1937 г. дали советские физики И. Е. Тамм и И. М. Франк.

Электрон, двигаясь в веществе, взаимодействует с окружающими его атомами. Под действием его электрического поля атомные электроны и ядра смещаются в противоположные стороны - среда поляризуется. Поляризуясь и возвращаясь затем в исходное состояние, атомы среды, расположенные вдоль траектории электрона, испускают электромагнитные световые волны. Если скорость электрона v меньше скорости распространения света в среде ( - показатель преломления), то электромагнитное поле будет обгонять электрон, а вещество успеет поляризоваться в пространстве впереди электрона. Поляризация среды перед электроном и за ним противоположна по направлению, и излучения противоположно поляризованных атомов, «складываясь», «гасят» друг друга. Когда , атомы, до которых еще не долетел электрон, не успевают поляризоваться, и возникает излучение, направленное вдоль узкого конического слоя с вершиной, совпадающей с движущимся электроном, и углом при вершине с . Возникновение светового «конуса» и условие излучения можно получить из общих принципов распространения волн.

Рис. 1. Механизм образования волнового фронта

Пусть электрон движется по оси ОЕ (см. рис. 1) очень узкого пустого канала в однородном прозрачном веществе с показателем преломления (пустой канал нужен, чтобы в теоретическом рассмотрении не учитывать столкновений электрона с атомами). Любая точка на линии ОЕ, последовательно занимаемая электроном, будет центром испускания света. Волны, исходящие из последовательных точек О, D, Е, интерферируют друг с другом и усиливаются, если разность фаз между ними равна нулю (см. Интерференция). Это условие выполняется для направления, составляющего угол 0 с траекторией движения электрона. Угол 0 определяется соотношением: .

Действительно, рассмотрим две волны, испущенные в направлении под углом 0 к скорости электрона из двух точек траектории - точки О и точки D, разделенных расстоянием . В точку В, лежащую на прямой BE, перпендикулярной ОВ, первая волна при - через время В точку F, лежащую на прямой BE, волна, испущенная из точки , придет в момент времени после испускания волны из точки О. Эти две волны будут в фазе, т. е. прямая будет волновым фронтом, если эти времена равны: . Та как условие равенства времен дает . Во всех направлениях, для которых , свет будет гаситься из-за интерференции волн, испущенных из участков траектории, разделенных расстоянием Д. Величина Д определяется очевидным уравнением , где Т - период световых колебаний. Это уравнение всегда имеет решение, если .

Если , то направления, в котором излученные волны, интерферируя, усиливаются, не существует, не может быть больше 1.

Рис. 2. Распределение звуковых волн и формирование ударной волны при движении тела

Излучение наблюдается только, если .

На опыте электроны летят в конечном телесном угле, с некоторым разбросом по скоростям, и в результате излучение распространяется в коническом слое около основного направления, определяемого углом .

В нашем рассмотрении мы пренебрегли замедлением электрона. Это вполне допустимо, так как потери на излучение Вавилова - Черенкова малы и в первом приближении можно считать, что теряемая электроном энергия не сказывается на его скорости и он движется равномерно. В этом принципиальное отличие и необычность излучения Вавилова - Черенкова. Обычно заряды излучают, испытывая значительные ускорения.

Электрон, обгоняющий свой свет, сходен с самолетом, летящим со скоростью, большей скорости звука. В этом случае перед самолетом тоже распространяется коническая ударная звуковая волна, (см. рис. 2).

Потери энергии на излучение у быстрых заряженных частиц почти в тысячу раз меньше потерь на ионизацию. Казалось бы, что столь незначительную энергию трудно использовать в практических приложениях. Однако по излучению Вавилова - Черенкова с помощью специальных детекторов удается измерить скорость, энергию, заряд быстрых частиц.

В 1958 г. за открытие и толкование этого эффекта советским физикам П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму была присуждена Нобелевская премия по физике.