Эффект Вавилова - Черенкова 

​

 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  v  превышающей скорость света в этой среде  u= c/n:

 c/n<v<c.

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  (рисунок 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 (рисунок 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   (рисунок 10.12).

В жидкостях и твердых телах условие   начинает выполняться для электронов при энергиях  , а для протонов при  .

Описанный эффект используют в счетчиках Черенкова, предназначенных для регистрации заряженных микрочастиц (электронов, протонов, мезонов и т.п.). В них световая вспышка, возникающая при движении частицы, преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоумножителя, который и регистрируется. В некоторых черенковских счетчиках можно определить угол  , по условию  , оценить скорость частицы и, зная массу, определить ее энергию (что было использовано Э. Сегре при открытии антипротона в 1955г.).

​

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Кто и когда обнаружил особый вид свечения у- частиц?

2. Перечислите характерные особенности этого свечения.

3. Кто и когда обьяснил механизм свечения?

4. Что предназначено для регистрации заряженных микрочастиц?

5. Опишите принцип Гюйгенса–Френеля.

​