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

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.

Интервью со специалистами DataArt, которые закончили ФизФак

Как ФизФак помог вам попасть в IT-компанию, и что вы думаете о мифе, что после его окончания работать негде?

Как получить Windows?

Рассказываем, как получить лицензионную Windows 10