БСЭ. Черенкова-Вавилова излучение - Черенковский
Начало Вверх

ЧЕРЕНКОВА-ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ, Черенкова - Вавилова эффект, излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при её движений в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде (скорость распространения световых волн). Обнаружено в 1934 П. А. Черенковым при исследовании гамма-люминесценции растворов как слабое голубое свечение жидкостей под действием гамма-лучей. Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд характерных особенностей излучения: свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их хим. состава, излучение имеет поляризацию с преимуществ, ориентацией электрич. вектора вдоль направления первичного пучка, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения (см. Тушение люминесценции). На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление - не люминесценция жидкости, а свет излучают движущиеся в ней быстрые электроны (такие электроны возникают под действием гамма-лучей в результате Комптона эффекта). Поэтому правильнее называть это явление излучением (эффектом) Вавилова - Черенкова в отличие от принятого, особенно в зарубежной литературе, названия "эффект Черенкова". Ч.- В. и. характерно и для твёрдых тел.

Различные виды свечения, вызываемого гамма-лучами, наблюдались после открытия радия неоднократно, в частности, свечение жидкостей под действием гамма-лучей исследовалось (1926-29) франц. учёным M. Л. Малле, получившим фотографии его спектра. Однако доказательств того, что это явление новое, не было, не установлено было и наиболее характерное свойство излучения (обнаруженное Черенковым в 1936) - его направленность под острым углом к скорости частицы.

Механизм явления был выяснен в работе И. E. Тамма и И. M. Франка (1937), содержавшей и количеств. теорию, осн. на уравнениях классич. электродинамики. К тем же результатам привело и квантовое рассмотрение (В. Л. Гинзбург, 1940).

Условие возникновения Ч.- В. и. и его направленность могут быть пояснены с помощью Гюйгенса - Френеля принципа. Для этого каждую точку траектории заряженной частицы (напр., А,В, С, D, рис. 1 и 2) следует считать источником волны, возникающей в момент прохождения через неё заряда.

Рис. 1. Движение заряженной частицы в среде со скоростью v < и, Сферы 1,2,3,4 - положение парциальных волн, испущенных частицей из точек A,B,C,D, соответственно.

В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, т. к. они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью и = с/n (здесь с - скорость света в вакууме, a n - показатель преломления света данной среды). Допустим, что частица, двигаясь со скоростью v, в момент наблюдения находилась в точке E. За (секунд до этого она проходила через точку А (расстояние до неё от E равно vt). Следовательно, волна, испущенная из Л, к моменту наблюдения представится сферой радиуса R = ut (на рис. 1 и 2 ей соответствует окружность1). Из точек В, С, D свет был испущен во всё более и более поздние моменты времени, и волны из них представляют окружности 2, 3, 4. По принципу Гюйгенса парциальные волны гасят друг друга в результате интерференции всюду, за исключением их общей огибающей, которой соответствует волновая поверхность света, распространяющегося в среде.

Пусть скорость частицы vменьше скорости света и в среде (рис. 1). Тогда свет, распространяющийся вперёд, будет обгонять частицу на тем большее расстояние, чем раньше он испущен. Общей огибающей парциальные волны при этом не имеют - все окружности 1,2, 3, 4 лежат одна внутри другой. Это соответствует тому очевидному факту, что электрич. заряд при равномерном и прямолинейном движении со скоростью, меньшей скорости света в среде, не должен излучать свет. Однако положение иное, если v > и = с/n, или Bп > 1 (1) (где B = v/с), т. е. если частица движется быстрее световых волн. Соответствующие им сферы пересекаются (рис. 2). Их общая огибающая (волновая поверхность) - конус с вершиной в точке E, совпадающей с мгновенным положением частицы, а нормали к образующим конуса определяют волновые векторы (т. е. направление распространения света).

Рис. 2. Движение заряженной частицы в среде со скоростью v > u. Угол Q указывает направление возникающего излучения.

Угол, к-рый составляет волновой вектор с направлением движения частицы (см. рис. 2), удовлетворяет соотношению: cos Q = u/v = c/nv = 1/Bn. (2)

Такой же метод рассмотрения можно провести и для оптически анизотропных сред. При этом нужно учитывать, что скорость света в этой среде зависит от направления его распространения, поэтому парциальные волны не являются сферами. В этом случае обыкновенному и необыкновенному лучам будут соответствовать разные конусы и излучение будет возникать под разными углами 0 к направлению распространения частицы согласно соотношению (2). Условие (1) для оптически анизотропных сред формулируется несколько иначе. Во всех случаях осн. формулы теории хорошо согласуются с опытом.

Теория показала, что в оптически изотропной среде частица с зарядом е, прошедшая расстояние в 1 см со скоростью v > и, излучает энергию:
2904-1.jpg

(w = 2 nc/A - циклическая частота света, A - длина волны излучаемого света в вакууме). Подынтегральное выражение определяет распределение энергии в спектре Ч.- В. и., а область интегрирования ограничена условием (1).

Ч.- В. и. возникает при движении не только электрона в среде, но и любойзаряженной частицы, если для неё выполняется условие (1). Для электронов в жидкостях и твёрдых телах условие (1) начинает выполняться уже при энергиях ~ 105 эв (такие энергии имеют MH. электроны радиоактивных процессов). Более тяжёлые частицы должны обладать большей энергией, напр. протон, масса к-рого в ~2000 раз больше электронной, для достижения необходимой скорости должен обладать энергией ~ 108 эв (такие протоны можно получить только в совр. ускорителях).

На основе Ч.- В. и. разработаны экспериментальные методы, к-рые широко применяются в ядерной физике как для регистрации частиц, так и для изучения их природы (см. Черенковский счётчик). Измерение 0 в среде (радиаторе) с известным n или определение порога излучения позволяют получать из уравнения (2) или условия (1) скорость частицы. Установив скорость частицы и определив её энергию по отклонению в магнитном поле, можно рассчитать массу частицы (это было, напр., использовано при открытии антипротона). Для ультрарелятивистских частиц условие (1) начинает выполняться уже в сжатых газах (газовые черенковские счётчики). Ч.-В. и., возникающее в атмосфере Земли, служит для изучения космич. лучей.

Ч.- В. и. может наблюдаться в чистом виде только в идеальных случаях, когда частица движется с постоянной скоростью в радиаторе неограниченной длины. При пересечении частицей поверхности радиатора возникает т. н. переходное излучение. Оно было теоретически предсказано Гинзбургом и Франком (1946) и впоследствии исследовано экспериментально. Сущность его состоит в том, что электромагнитное поле частицы в вакууме и в среде различны. Любое изменение поля частицы всегда приводит к излучению света. При тормозном излучении, напр., оно вызывается изменением скорости частицы, а в случае переходного излучения тем, что меняются электромагнитные свойства среды вдоль траектории частицы. В тонком радиаторе, удовлетворяющем условию (1), переходное излучение в известной мере неотделимо от Ч.- В. и. В непрозрачных для света веществах возникающее на их границе переходное излучение играет доминирующую роль, т. к. интенсивность Ч.- В. и. снижена его поглощением. Переходное излучение возникает и тогда, когда не выполнено условие (1) (напр., при малых скоростях частицы или, напротив, при излучении ультрарелятивистской частицы в области частот рентгеновского спектра, где n< 1 и, следовательно, всегда Bn<1). Интенсивность переходного излучения мала и обычно недостаточна для регистрации отдельной частицы. Для эффективной его регистрации может быть использовано суммирование излучения частицы при последовательном пересечении ею нескольких границ раздела.

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 существенные уточнения в теорию т. н. ионизационных потерь заряженными частицами (эффект поляризации среды).

Ч.- В. и. является примером оптики "сверхсветовых" скоростей и имеет принципиальное значения. Ч.- В. и. экспериментально и теоретически изучено не только в оптически изотропных средах, но и в кристаллах (оптически анизотропные среды), теоретически рассмотрено излучение электрических и магнитных диполей и мультиполей. Ожидаемые свойства излучения движущегося магнитного заряда были использованы для поисков магнитного монополя. Рассмотрено излучение частицы в канале внутри среды (напр., излучение пучка частиц внутри волновода). При Ч.- В. и. новые особенности приобретает Доплера эффект. в среде: появляются т. н. аномальный и сложный эффекты Доплера. Можно полагать, что всякая система частиц, способная взаимодействовать с электромагнитным полем, будет излучать свет за счёт своей кинетической энергии, если её скорость превышает фазовую скорость света.

Теоретические представления, лежащие в основе Ч.- В. и., тесно связаны с др. явлениями, имеющими значение в совр. физике (волны Маха в акустике, вопросы устойчивости движения частиц в плазме и генерации в ней волн, нек-рые проблемы теории ускорителей частиц, а также генерация и усиление электромагнитных волн).

Лит.: Черенков П. А., Видимое свечение чистых жидкостей под действием paдиации, "Докл. АН СССР", 1934, т. 2, № 8; Вавилов Е. И., О возможных причинах синего y-свечення жидкостей, там же; T а м м И. E., , Когерентное излучение быстрого электрона в среде, там же, 1937, т. 14, № 3; Черенков П. А., Тамм И. E., Франк И. M., Нобелевские лекции, M., 1960; Джелли Д ж., Черенковское излучение и его применения, пер. с англ., M., 1960; Зрелов В. П., Излучение Вавилова - Черенкова и его применение в физике высоких энергий, ч. 1-2, M., 1968.

И. M. Франк.

ЧЕРЕНКОВАНИЕ, способ размножения растений отделяемыми от них частями (черенками). Применяется в плодоводстве, декоративном садоводстве, лесоводстве, при выращивании нек-рых технич., лекарственных и др. растений. Чаще всего практикуется размножение черенками корневыми и стеблевыми (одревесневшими без листьев и зелёными с листьями). Корневыми черенками размножают малину, ежевику, молодые сеянцы яблони, серебристый тополь и др. Стеблевыми одревесневшими черенками размножают смородину, виноград, айву, инжир и др. Зелёные черенки с 2-3 листьями применяют для размножения смородины, сливы, вишни, винограда, нек-рых сортов крыжовника и др. Листовыми черенками размножают бегонию, фиалку и др. См. Вегетативное размножение.

ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЁТЧИК, прибор для регистрации заряженных частиц и y-квантов, в к-ром используется Черенкова-Вавилова излучение. Если заряженная частица движется в среде со скоростью v, превышающей фазовую скорость света для данной среды (с/n, n - показатель преломления среды, с - скорость света в вакууме), то частица испускает черенковское излучение. Последнее происходит в определённом направлении, причём угол в между направлением излучения и траекторией частицы связан с v и n соотношением:

cos Q = с/vn = 1/Bn (B = v/c). (1)

Интенсивность N черенковского излучения на 1 см пути в интервале длин волн от A1 до A2выражается соотношением:
2904-2.jpg

Здесь Z - заряд частицы (в единицах заряда электрона).

В отличие от сцинтилляционного счётчика, где регистрируются частицы с любой скоростью, а излучение изотропно и запаздывает во времени, в Ч. с. свет излучается только частицами, скорости к-рых v >= с/n (B >=1/n) причём излучение происходит одновременно с их прохождением и под углом Q к траектории частицы. С ростом скорости частицы (надпороговой) растут угол в и интенсивность излучения. Для предельных скоростей, близких к скорости света [(1 - B) << 1], угол в достигает предельного значения: Vмакс = аrссоs (1/n). (3) Количество света, излучаемое в Ч. с., как правило, составляет неск. % от светового сигнала сцинтилляционного счётчика. Основные элементы Ч. с.: радиатор (вещество, в к-ром v > с/п), оптич. система, фокусирующая свет, и один или неск. фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих световой сигнал в электрический (см. рис.). Радиаторы изготавливают из твёрдых, жидких и газообразных веществ. Они должны быть прозрачны к черенковскому излучению и иметь низкий уровень сцинтилляций, создающих фоновые сигналы. Стандартные материалы радиаторов: органическое стекло (п =1,5), свинцовое стекло (и = 1,5), вода (п = 1,33).

Схема газового порогового черенковского счётчика на 70 Гэв ускорителя Института физики высоких энергий (СССР). Черенковский свет собирается на катод ФЭУ с помощью оптической системы, состоящей из плоского зеркала и кварцевой линзы.

Ч. с. получили широкое применение в экспериментах на ускорителях заряженных частиц, т. к. они позволяют выделять частицы, скорость к-рых заключена в определённом интервале. С ростом энергии ускорителей и, следовательно, с ростом энергии частиц особенно широкое применение получили газовые Ч. с., обладающие способностью выделять частицы ультрарелятивистских энергий, для к-рых (1 - b)<<1· Угол излучения в в газе очень мал, мала и интенсивность излучения на единицу пути. Чтобы получить вспышку света, достаточную для регистрации, приходится увеличивать длину газовых Ч. с. до 10 л и более. В газовых Ч. с. можно плавно менять показатель преломления, изменяя давление рабочего газа.

Ч. с. существуют 3 типов: пороговые, дифференциальные и счётчики полного поглощения. Основными характеристиками первых 2 типов Ч. с. являются эффективность регистрации и разрешающая способность по скорости частиц, т. е. способность счётчика разделять две частицы, двигающиеся с близкими скоростями. Пороговый Ч. с. должен регистрировать все частицы со скоростями, большими нек-рой (пороговой), лоэтому оптич. система такого Ч. с. (комбинация линз и зеркал) должна собрать, по возможности, весь излучённый свет на катод ФЭУ. Дифференциальные Ч. с. регистрируют частицы, движущиеся в нек-ром интервале скоростей от v1 до v2. В традиционных дифференциальных Ч. с. это достигается выделением оптич. системой света, излучаемого в интервале соответствующих углов от V1 до V2. Линза или сферич. зеркало, помещённое на пути черенковского света, фокусирует свет, излучённый под углом V, в кольцо с радиусом R = fV, (4) где f - фокусное расстояние линзы или зеркала. Если в фокусе системы поместить щелевую кольцевую диафрагму, а за диафрагмой один или неск. ФЭУ, то в такой системе свет будет зарегистрирован только для частиц, излучающих свет в определённом интервале углов. В дифференциальных Ч. с. с прецизионной оптич. системой можно выделить частицы, скорость к-рых отличается всего на 10-6 от скорости др. частиц. Такие Ч. с. требуют особого контроля давления газа и формирования параллельного пучка частиц.

Ч. с. полного поглощения предназначены для регистрации и спектрометрии электронов и гамма-квантов. В отличие от рассмотренных Ч. с., где частица теряла в радиаторе ничтожно малую долю энергии, Ч. с. полного поглощения содержит блок радиаторов большой толщины, в к-ром электрон или гамма-квант образует электронно-фотонную лавину и теряет всю или большую часть своей энергии. Как правило, радиаторы в этом случае изготавливают из стекла с большим содержанием свинца. В радиаторе из такого стекла, например толщиной 40 см, может практически полностью тормозиться электрон с энергией до 10 Гэв. Количество света, излучаемого в Ч. с. полного поглощения, пропорционально энергии первичного электрона или гамма-кванта. Разрешающая способность &E Ч. с. полного поглощения (по энергии) зависит от энергии и для самых чувствительных ФЭУ может быть выражена формулой:
2904-3.jpg

где "E - энергия электрона в Гэв.

Лит.: Джелли Дж., Черенковское излучение и его применения, пер. с англ., M., 1960; Зрелов В. П., Излучение Вавилова - Черенкова и его применение в физике высоких энергий, ч. 1 - 2, M., 1968.

В. С. Кафтанов.

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2018