Свечение черенкова. Черенкова -вавилова излучение. Осторожно! Синий свет

) в 1880-х, но этот эффект был обнаружен случайно, возможно, Марией и Пьером Кюри. Его тщательно изучал Павел Черенков в 1930-е годы, а через несколько лет эффект подробно объяснили Илья Михайлович Франк и Игорь Евгеньевич Тамм . Три этих физика получили за изучение этого явления нобелевскую премию в 1958 году.

Прим. перев.: в англоязычных источниках почти всегда при описании излучения Черенкова авторы спешат упомянуть чету Кюри и то, что они ещё в начале XX века вроде бы наблюдали некое голубое свечение в своих опытах с радием. При этом обычно источника этой информации они не указывают; в редких случаях пишут, что информация получена на основании прочтения художественной книги, биографией четы Кюри, написанной их дочерью, Евой.

А в самой биографии о голубом свечении сказано только вот что:

«И среди темного сарая стеклянные сосудики с драгоценными частицами радия, разложенные, за отсутствием шкафов, просто на столах, на прибитых к стенам дощатых полках, сияют голубоватыми фосфоресцирующими силуэтами, как бы висящими во мраке.» // «Пьер и Мария Кюри», пер. с французского С. А. Шукарев, Евгений Федорович Корш, изд. 1959 г.

Что это было за наблюдение? Черенков изучал голубой свет, появлявшийся в тот момент, когда радиоактивные объекты (содержащие атомы, чьё ядро распадается на другие ядра, выплёвывая частицы высокой энергии, среди которых встречаются электроны и позитроны) размещались рядом с водой и другими прозрачными материалами. Сейчас мы знаем, что любая электрически заряженная частица, такая, как электрон, движущаяся с достаточно высокой энергией через воду, воздух или другую прозрачную среду, будет испускать голубой свет. Свет этот движется от частицы под определённым углом к направлению её движения.

Что происходит? Как поняли Франк и Тамм, это фотонный удар, аналогичный звуковому удару, происходящему, когда сверхзвуковой летательный аппарат движется быстрее скорости звука, или волнению, которое создаёт судно, идущее по воде. Свет в прозрачной среде будет двигаться со скоростью, отличающейся от скорости света в вакууме из-за взаимодействия между светом и заряженными частицами (электронами и ядрами атомов), составляющими эту среду. К примеру, в воде свет перемещается примерно на 25% медленнее, чем в вакууме! Поэтому электрону высокой энергии легче перемещаться быстрее, чем свет перемещается в воде, и при этом не превышать скорости света в вакууме. Если такая частица идёт через воду, она создаёт электромагнитную взрывную волну, похожую на взрывную волну, создаваемую сверхзвуковым самолётом в плотном воздухе. Эта волна исходит от частицы, так же, как звуковая волна исходит от самолёта, и переносит в себе энергию во многих формах (длинах волн) электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создаётся больше, чем на красном, поэтому свет для наших глаз и мозга выглядит в основном голубым.

Такое излучение чрезвычайно полезно в физике частиц, ибо оно даёт прекрасный способ обнаружения частиц высокой энергии! Мы не только можем видеть присутствие заряженных частиц высокой энергии благодаря испускаемому ими свету, мы можем постичь гораздо больше, изучая подробности этого света. Точная схема излучения может помочь определить (а) по какому пути частица следует в среде, (б) сколько энергии она переносит, и даже (в) кое-что по поводу её массы (поскольку электроны будут рассеиваться в среде, а более тяжёлые частицы будут вести себя по-другому). Несколько очень важных экспериментов, включая и те, что впоследствии получили нобелевку, основываются на этом излучении. Среди них эксперименты, сыгравшие главную роль в изучении нейтрино, например, Супер-Камиоканде .

Излучение Черенкова также очень полезно при проверках правильности описания природы эйнштейновской теорией относительности. Космические лучи – частицы, летящие из глубокого космоса (часто сталкивающиеся с чем-нибудь в атмосфере и порождающие каскады частиц, которые можно обнаружить детекторами на земле), в редких случаях могут обладать чрезвычайно высокой энергией – в 100 миллионов раз большей, чем энергия протонов в Большом Адронном Коллайдере. Эти частицы (насколько мы знаем) были созданы на расстоянии многих световых лет от Земли в таких мощных астрономических событиях, как сверхновые. Предположим, что скорость света была бы не универсальным ограничением скорости, и эти частицы перемещались бы быстрее света в вакууме космоса. Тогда эти высокоэнергетические частицы также вызывали бы излучение Черенкова. А поскольку их путь был таким долгим, они потеряли бы много энергии на это излучение. Оказывается, что эта потеря энергии может происходить очень быстро, и что эти частицы в таком случае не могли бы преодолеть астрономические расстояния и сохранить такие высокие уровни энергии, если только их скорость не оставалась меньше, чем скорость света.

Короче говоря, если бы космические лучи сверхвысоких энергий могли двигаться быстрее света, тогда мы не могли бы наблюдать никаких космических лучей с такой энергией, ибо они должны были бы растерять всю свою энергию до того, как достигнут Земли. Но мы их наблюдаем.

Тут есть небольшой подвох: мы почти уверены, что большая часть их обладает зарядом: их свойства говорят о том, что они участвуют в сильном ядерном взаимодействии, а единственные стабильные частицы, способны пройти такие расстояния – это протоны, и вообще, ядра атомов, и все они обладают электрическим зарядом. Если даже воспользоваться этим подвохом, но ограничения можно немного ослабить, но они всё равно останутся довольно сильными.

Из этого можно заключить: космические лучи сверхвысоких энергий (а также вообще все космические лучи низких энергий) не могут двигаться быстрее скорости света, по крайней мере, сильно быстрее. И если это опережение существует, то его оценки, сделанные в конце 1990-х знаменитыми физиками Сидни Коулманом и Шелдоном Глэшоу , говорят, что эта величина может быть равной десяти частям из триллиона триллионов. С тех пор эти ограничения, вероятно, были улучшены благодаря данным экспериментов.

Точно так же, то, что мы можем наблюдать высокоэнергетические электроны, накладывает ограничение на их скорость по отношению к скорости света. Одно из последних заявлений, о которых я читал, говорит, что из наблюдений за электронами с энергиями до 0,5 ТэВ следует, что электроны не могут превышать скорость света больше, чем на одну часть из тысячи триллионов.

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

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.

В 1934 году П.А.Черенков, работавший тогда под руководством С.Н. Вавилова, изучая действие электромагнитного излучения на вещество, обнаружил особый вид свечения жидкости под действием γ-лучей радия. Подобное излучение света было обнаружено и под действием других заряженных частиц, например электронов.

Характерные особенности этого излучения:

во-первых, свечение имело голубоватый цвет и наблюдалось у всех чистых прозрачных жидкостей, причем яркость и цвет свечения мало зависели от химического состава жидкости;

во-вторых, в отличие от люминесценции , не наблюдалось ни температурного, ни примесного ослабления свечения;

в-третьих, излучение имеет поляризацию и направленность вдоль направления движения частицы.

Вавилов предположил, что обнаруженное явление не является люминесценцией, свет излучают быстрые электроны, движущиеся в жидкости . В 1937 году И.Е. Тамм и И.М. Франк объяснили механизм свечения и создали количественную теорию, основанную на уравнениях классической электродинамики. В 1940 году В.Л. Гинзбург создал квантовую теорию, которая привела к тем же результатам.

Излучение Вавилова–Черенкова – это излучение электрически заряженной частицы, движущейся в среде, со скоростью превышающей скорость света в этой среде :

Согласно электромагнитной теории, заряд, движущийся равномерно не излучает электромагнитной волны. Однако Тамм и Франк показали, что это справедливо лишь для скоростей частиц, не превышающих фазовую скорость волны в данной среде. В процессе излучения Вавилова–Черенкова энергия и скорость излучающей свободной частицы уменьшается, то есть частица тормозится.

Заряженная частица вызывает кратковременную поляризацию вещества в окрестности тех точек, через которые она проходит при своем движении. Поэтому молекулы среды, лежащие на пути частицы, становятся кратковременно действующими когерентными источниками элементарных электромагнитных волн, которые интерферируют друг с другом.

При движении заряженной частицы в изотропной среде со скоростью элементарные волны будут представлять собой сферы, распространяющиеся со скоростью (рис. 10.10).

Согласно принципу Гюйгенса–Френеля, в результате интерференции элементарные волны гасят друг друга всюду, за исключением их общей огибающей. А при движении частицы со скоростью общей огибающей волн нет: все окружности лежат одна в другой. Поэтому заряд, движущийся равномерно прямолинейно со скоростью , свет не излучает .

Если частица движется быстрее, чем распространяются волны в среде ( ), то соответствующие элементарным волнам сферы пересекаются и их общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке, совпадающей с мгновенным положением движущейся частицы (рис.10.11). В данном случае, в результате интерференции элементарные волны усиливают друг друга . Нормали к образующим конуса определяют волновые векторы, т.е. направления распространения света. Угол , который составляет волновой вектор с направлением движения частицы, удовлетворяет соотношению: .

В этих направлениях вторичные волны будут усиливаться и формировать излучение Вавилова–Черенкова . Свет, возникающий на каждом малом участке траектории частицы, распространяется вдоль образующей конуса, ось которого совпадает с направлением движения свободного электрона , а угол при вершине равен 2 (рис. 10.12).