Излучение Вавилова-Черенкова

Эффект Вавилова — Черенков, возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этом веществе.

Обнаружено в 1934 г. П. А. Черенковым при исследовании свечения растворов солей урана под действием g-лучей радия. Оказалось, что все чистые прозрачные жидкости при пропускании через них g-лучей начинают светиться. При этом яркость свечения мало зависела от химического состава жидкостей, излучение имело поляризацию с преимущественной ориентацией электрического вектора вдоль направления первичного пучка, и, в отличие от люминесценции, не наблюдалось ни температурного, ни примесного тушения. С. И. Вавиловым, под руководством которого работал П. А.Черенков, была высказана гипотеза, что свечение связано с движением быстрых электронов, возникающих под действием g-лучей в результате Комптона эффекта, выбиваемых g-квантами радия, а не вызвано люминесценцией жидкости.

Природа излучения была объяснена в 1937 г. И. Е. Таммом и И. М. Франком. Пока заряженная частица движется со скоростью v < c/n, (с — скорость света в вакууме, а n — показатель преломления света данной среды), она может излучать электромагнитные волны лишь при ускоренном движении. Тамм и Франк показали, что при скорости движения частицы v > c/n, даже двигающейся равномерно, происходит излучение электромагнитных волн.

Условие возникновения излучения Вавилова —Черенкова и его направленность могут быть пояснены с помощью принципа Гюйгенса — Френеля. Для этого каждую точку траектории заряженной частицы считают источником волны, возникающей в момент прохождения через нее заряда. Под действием электрического поля движущегося электрона среда поляризуется. Поляризуясь и возвращаясь затем в исходное состояние, атомы среды, расположенные вдоль движения электрона, испускают электромагнитные световые волны. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, так как они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью u = с/n. Если скорость электрона v меньше скорости распространения света в среде, то электромагнитное поле обгоняет электрон, и вещество успеет поляризоваться в пространстве перед электроном. Так как поляризация среды перед электроном и за ним противоположны по направлению, излучения противоположно поляризованных атомов гасятся. Когда скорость движения электрона в прозрачной среде превышает фазовую скорость распространения света в этой среде, возникает излучение. Это излучение распространяется лишь по направлениям, составляющим острый угол с траекторией частицы, т.е. вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением скорости частицы, при этом:cosq = c/nv.

Скорость света в оптически анизотропных средах зависит от направления его распространения, поэтому парциальные волны в этом случае не являются сферами. Поэтому обыкновенному и необыкновенному лучам будут соответствовать разные конусы, и излучение будет возникать под разными углами к направлению движения частицы.

Излучение Вавилова — Черенкова возникает не только при движении электрона в среде, но и при движении любой заряженной частицы, если она движется быстрее скорости света в этой среде. Для электронов в жидкостях и твердых телах такое условие начинает выполняться уже при энергиях ~ 105 эВ (такие энергии имеют многие электроны радиоактивных процессов). Более тяжелые частицы должны обладать большей энергией, например протон, масса которого в ~2000 раз больше массы электрона, для достижения необходимой скорости должен обладать энергией ~ 108 эВ (такие протоны можно получить только в современных ускорителях).

На основе эффекта Вавилова — Черенкова разработаны экспериментальные методы исследования, которые широко применяются в ядерной физике как для регистрации частиц, так и для изучения их природы, определения их энергии, знака, заряда.