Черенкова излучение, (Черенкова эффект, иногда наз. Вавилова - Черенкова излучение) - излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при
её движении в среде с постоянной скоростью v, превышающей фазовую
скорость света 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 люминесценция, 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. электродинамики.
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 интерференции 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 скоростью u < и. Сферы 1, 2, 3, 4 - положение парциальных волн, испущенных частицей из точек А, В, С, D соответственно.
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. заряд 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 волновые векторы, 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 скоростью u > u. Угол между направлениями
волнового вектора возникающего излучения и скоростью частицы
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 ~ 105 эВ, для протонов,
масса к-рых в ~2000 раз больше электронной,- при энергиях - 108 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 поляризации 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
эффекты Доплера. Можно полагать, что всякая система частиц, способная взаимодействовать с эл--магн. полем, будет излучать свет за счёт своей кинетич. энергии, если её скорость превышает фазовую скорость света.
|
|
 |
