ФизФак

Эффект Вавилова – Черенкова

В 1934 году Павел Черенков, выполняя в лаборатории С. И. Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение неизвестной природы. 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 люминесценций, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны.

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

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».

В то время как электродинамика утверждает, что скорость света в вакууме является универсальной константой (c), скорость, с которой свет распространяется в материале, может быть значительно меньше, чем c. Например, скорость распространения света в воде составляет всего 0,75 с. При ядерных реакциях и в ускорителях частиц вещество может ускоряться сверх этой скорости (хотя и до менее чем с). Черенковское излучение возникает, когда заряженная частица, чаще всего электрон, проходит через диэлектрическую (электрически поляризуемую) среду со скоростью, превышающей скорость распространения света в той же среде.

Кроме того, скорость, которая должна быть превышена, является фазовой скоростью света, а не Групповой скоростью света. Фазовая скорость может быть резко изменена с помощью периодической среды, и в этом случае можно даже достичь Черенковского излучения без минимальной скорости частиц, явление, известное как эффект Смита–Перселла. В более сложной периодической среде, такой как фотонный кристалл, можно также получить множество других аномальных Черенковских эффектов, таких как излучение в обратном направлении (тогда как обычное Черенковское излучение образует острый угол со скоростью частицы).

В своей оригинальной работе над теоретическими основами Черенковского излучения Тамм и Франк писали: “это своеобразное излучение, очевидно, не может быть объяснено каким-либо общим механизмом, таким как взаимодействие быстрого электрона с отдельным атомом или как радиационное рассеяние электронов на атомных ядрах. С другой стороны, это явление может быть объяснено как качественно, так и количественно, если принять во внимание тот факт, что электрон, движущийся в среде, излучают свет, даже если он движется равномерно при условии, что его скорость превышает скорость света в среде.”. Однако существуют некоторые заблуждения относительно Черенковского излучения, например, считается, что среда становится электрически поляризованной электрическим полем частицы. Если частица движется медленно, то возмущение упруго расслабляется обратно к механическому равновесию по мере прохождения частицы. Однако, когда частица движется достаточно быстро, ограниченная скорость отклика среды означает, что в следе за частицей остается возмущение, и энергия, содержащаяся в этом возмущении, излучается как когерентная ударная волна. Такие представления не имеют аналитической основы, так как электромагнитное излучение испускается при движении заряженных частиц в диэлектрической среде с субсветовыми скоростями, которые не рассматриваются как Черенковское излучение.

Распространенной аналогией является звуковой удар сверхзвукового самолета или пули. Звуковые волны, генерируемые сверхзвуковым телом, распространяются со скоростью самого звука; таким образом, волны распространяются медленнее, чем ускоряющийся объект, и не могут распространяться вперед от тела, вместо этого образуя ударный фронт. Аналогичным образом заряженная частица может генерировать легкую ударную волну при прохождении через изолятор.

Почитать ещё

Как студенту ФизФака получить скидку 25% на поездки по стране

Студенческая программа действует на поездки в вагонах типа купейных (те, что принадлежат...

Студенческая подписка на GitHub

Сегодня рассказываем как получить студенческую подписку на GitHub, которая даёт доступ к...

Эффект Вавилова – Черенкова

В 1934 году Павел Черенков, выполняя в лаборатории С. И. Вавилова исследования люминесценции жидкостей под...

Базовые кафедры на направлении «Радиофизика»

С нами сотрудничает несколько десятков компаний — проводят лекции, стажировки, практики, забирают лучших...

Как пользоваться рейтинговым списком?

Рейтинг нужен, чтобы показать ваши шансы на поступление. В первом рейтинге...

Продукты JetBrains для студентов

Рассказываем как получить редакторы кода от JetBrains для таких языков как C, Java, Python и др.