موسوعة المدرسة. القدرة على قتل الضوء الأزرق

) في ثمانينيات القرن التاسع عشر ، ولكن تم اكتشاف هذا التأثير عن طريق الصدفة ، ربما بواسطة ماري وبيير كوري. تمت دراسته بعناية من قبل بافل شيرينكوف في ثلاثينيات القرن الماضي ، وبعد بضع سنوات تم شرح التأثير بالتفصيل من قبل إيليا ميخائيلوفيتش فرانك وإيجور إيفجينيفيتش تام. حصل ثلاثة من هؤلاء الفيزيائيين على جائزة نوبل عام 1958 لدراستهم لهذه الظاهرة.

ملحوظة. الترجمة: في مصادر باللغة الإنجليزية ، دائمًا تقريبًا ، عند وصف إشعاع Cherenkov ، يسارع المؤلفون إلى ذكر الزوجين Curie وحقيقة أنه في بداية القرن العشرين بدا أنهما قد لاحظا نوعًا من التوهج الأزرق في تجاربهم مع الراديوم. ومع ذلك ، فهي عادة لا تشير إلى مصدر هذه المعلومات ؛ في حالات نادرة ، يكتبون أن المعلومات تم الحصول عليها على أساس قراءة كتاب فني ، سيرة ذاتية للكوري ، كتبها ابنتهم إيفا.

وفي السيرة الذاتية نفسها ، يقال هذا فقط عن الوهج الأزرق:

"وفي وسط الحظيرة المظلمة ، توجد أواني زجاجية بها جزيئات ثمينة من الراديوم ، موضوعة ، في غياب الخزائن ، ببساطة على الطاولات ، على أرفف خشبية مثبتة على الجدران ، تتلألأ بظلال فسفورية مزرقة ، كما لو كانت معلقة في الظلام. " // "بيير وماري كوري" ، العابرة. من الفرنسية S. A. Shukarev، Evgeny Fedorovich Korsh، ed. 1959

ماذا كانت هذه الملاحظة؟ درس شيرينكوف الضوء الأزرق الناتج عندما وُضعت الأجسام المشعة (التي تحتوي على ذرات تتفكك نواتها إلى نوى أخرى ، وتطلق جزيئات عالية الطاقة تشمل الإلكترونات والبوزيترونات) بالقرب من الماء ومواد شفافة أخرى. نحن نعلم الآن أن أي جسيم مشحون كهربائيًا ، مثل الإلكترون ، يتحرك بطاقة عالية بما يكفي من خلال الماء أو الهواء أو أي وسط شفاف آخر سوف ينبعث منه ضوء أزرق. ينتقل هذا الضوء من الجسيم بزاوية معينة إلى اتجاه حركته.

ماذا يحدث؟ كما اكتشف فرانك وتام ، فإن هذه صدمة فوتونية ، تشبه الدوي الصوتي الذي يحدث عندما تتحرك طائرة أسرع من الصوت بسرعة أكبر من سرعة الصوت ، أو التموج الذي تحدثه السفينة على الماء. ينتقل الضوء في وسط شفاف بسرعة مختلفة عن الضوء في الفراغ بسبب التفاعل بين الضوء والجسيمات المشحونة (الإلكترونات والنواة الذرية) التي تشكل هذا الوسط. على سبيل المثال ، ينتقل الضوء في الماء بنسبة 25٪ أبطأ مما ينتقل في الفراغ! لذلك ، من الأسهل أن يسافر الإلكترون عالي الطاقة أسرع من الضوء الذي ينتقل في الماء ، ولا يزال لا يتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. إذا كان مثل هذا الجسيم ينتقل عبر الماء ، فإنه يخلق موجة انفجار كهرومغناطيسية مماثلة لموجة الانفجار التي تولدها طائرة أسرع من الصوت في هواء كثيف. تأتي هذه الموجة من جسيم ، تمامًا مثل الموجة الصوتية التي تأتي من طائرة ، وتحمل الطاقة فيها بأشكال عديدة (أطوال موجية) من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك الضوء المرئي. يتم إنشاء المزيد من الطاقة في الطرف الأرجواني من قوس قزح مقارنة بالنهاية الحمراء ، لذلك يبدو الضوء في الغالب أزرقًا لأعيننا وأدمغتنا.

هذا الإشعاع مفيد للغاية في فيزياء الجسيمات ، لأنه يوفر طريقة رائعة لاكتشاف الجسيمات عالية الطاقة! لا يمكننا فقط رؤية وجود جسيمات مشحونة عالية الطاقة بسبب الضوء المنبعث منها ، بل يمكننا فهم المزيد من خلال دراسة تفاصيل هذا الضوء. يمكن أن يساعد نمط الإشعاع الدقيق في تحديد (أ) المسار الذي يسلكه الجسيم في الوسط ، (ب) مقدار الطاقة التي يحملها ، وحتى (ج) شيء يتعلق بكتلته (لأن الإلكترونات ستشتت عبر الوسط وستنتشر الجسيمات الثقيلة تتصرف بشكل مختلف). العديد من التجارب المهمة للغاية ، بما في ذلك تلك التي فازت لاحقًا بجائزة نوبل ، تستند إلى هذا الإشعاع. من بينها التجارب التي لعبت دورًا رئيسيًا في دراسة النيوترينوات ، مثل Super-Kamiokande.

يعتبر إشعاع Cherenkov مفيدًا جدًا أيضًا في التحقق من صحة وصف الطبيعة من خلال نظرية النسبية لأينشتاين. الأشعة الكونية - الجسيمات القادمة من الفضاء السحيق (غالبًا ما تصطدم بشيء في الغلاف الجوي وتخلق شلالات من الجسيمات التي يمكن الكشف عنها بواسطة أجهزة الكشف على الأرض) ، في حالات نادرة ، يمكن أن يكون لها طاقة عالية للغاية - 100 مليون مرة أكبر من طاقة البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير. تم إنشاء هذه الجسيمات (على حد علمنا) على بعد عدة سنوات ضوئية من الأرض في أحداث فلكية قوية مثل المستعرات الأعظمية. لنفترض أن سرعة الضوء لن تكون هي الحد الأقصى للسرعة العالمية ، وأن هذه الجسيمات ستنتقل أسرع من الضوء في فراغ الفضاء. ثم هذه الجسيمات عالية الطاقة ستسبب أيضًا إشعاع شيرينكوف. وبما أن رحلتهم كانت طويلة جدًا ، فقد فقدوا الكثير من الطاقة لهذا الإشعاع. اتضح أن هذا الفقد في الطاقة يمكن أن يحدث بسرعة كبيرة ، وأن هذه الجسيمات لا يمكنها بعد ذلك السفر لمسافات فلكية وتحتفظ بهذه المستويات العالية من الطاقة ، إلا إذا بقيت سرعتها أقل من سرعة الضوء.

باختصار ، إذا كان بإمكان الأشعة الكونية فائقة الطاقة أن تنتقل أسرع من الضوء ، فلن نتمكن من رصد أي أشعة كونية بهذه الطاقة ، لأنها ستفقد كل طاقتها قبل الوصول إلى الأرض. لكننا نراقبهم.

هناك مشكلة صغيرة هنا: نحن على يقين تقريبًا من أن معظمهم لديهم شحنة: تشير خصائصهم إلى أنهم يشاركون في تفاعل نووي قوي ، والجسيمات المستقرة الوحيدة التي يمكنها السفر مثل هذه المسافات هي البروتونات ، وبشكل عام ، نوى ذرات ، وجميعهم لديهم شحنة كهربائية. حتى لو استخدمت هذه الحيلة ، لكن القيود يمكن أن تضعف قليلاً ، لكنها ستظل قوية جدًا.

من هذا يمكننا أن نستنتج: لا يمكن للأشعة الكونية فائقة الطاقة (وكذلك جميع الأشعة الكونية منخفضة الطاقة بشكل عام) أن تتحرك أسرع من سرعة الضوء ، على الأقل أسرع بكثير. وإذا كان هذا الرصاص موجودًا ، فإن تقديراته ، التي أجراها في أواخر التسعينيات الفيزيائيان المشهوران سيدني كولمان وشيلدون جلاشو ، تقول إن هذه القيمة يمكن أن تساوي عشرة أجزاء من تريليون تريليون. منذ ذلك الحين ، من المحتمل أن تكون هذه الحدود قد تحسنت من خلال البيانات التجريبية.

وبالمثل ، فإن حقيقة أنه يمكننا ملاحظة الإلكترونات عالية الطاقة تضع حدًا لسرعتها بالنسبة إلى سرعة الضوء. تقول إحدى المزاعم الأخيرة التي قرأتها عن أن ملاحظات الإلكترونات ذات الطاقات تصل إلى 0.5 تيرا إلكترون فولت تشير إلى أن الإلكترونات لا يمكنها تجاوز سرعة الضوء بأكثر من جزء واحد في الألف تريليون.

تأثير فافيلوف شيرينكوف(إشعاع فافيلوف-شيرينكوف) - وهج ناتج في وسط شفاف بواسطة جسيم مشحون يتحرك بسرعة تتجاوز سرعة طور الضوء في هذا الوسط. يستخدم إشعاع Cherenkov على نطاق واسع في الفيزياء عالية الطاقة لاكتشاف الجسيمات النسبية وتحديد سرعاتها.

تاريخ الاكتشاف

في عام 1958 تم منح شيرينكوف وتام وفرانك جائزة نوبل في الفيزياء "لاكتشافهم وتفسيرهم لتأثير شيرينكوف". أشار ماني سيغبان من الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم في خطابه إلى أن "اكتشاف الظاهرة المعروفة الآن باسم تأثير شيرينكوف هو مثال مثير للاهتمام حول كيف يمكن للملاحظة المادية البسيطة نسبيًا ، إذا تم القيام بها بشكل صحيح ، أن تؤدي إلى اكتشافات مهمة وتمهيد الطريق لمزيد من البحث. ".

آلية الإشعاع والهندسة

تقول نظرية النسبية: لا يمكن لأي جسم مادي ، بما في ذلك الجسيمات الأولية السريعة ذات الطاقة العالية ، أن يتحرك بسرعة مساوية لسرعة الضوء في الفراغ. لكن هذا القيد لا ينطبق على سرعة الحركة في الوسائط الشفافة. في الزجاج أو الماء ، على سبيل المثال ، ينتقل الضوء بنسبة 60-70٪ من سرعة الضوء في الفراغ ، ولا شيء يمنع الجسيمات السريعة (مثل البروتون أو الإلكترون) من التحرك أسرع من الضوء في مثل هذا الوسط.

في عام 1934 ، كان بافيل شيرينكوف يبحث في تألق السوائل تحت تأثير إشعاع غاما واكتشف وهجًا أزرق خافتًا (سمي الآن باسمه) ناتجًا عن إلكترونات سريعة خرجت من ذرات الوسط بواسطة إشعاع جاما. بعد ذلك بقليل اتضح أن هذه الإلكترونات كانت تتحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء في الوسط. كان ، كما كان ، المكافئ البصري لموجة الصدمة التي تسببها طائرة أسرع من الصوت في الغلاف الجوي ، وكسر حاجز الصوت. يمكن تمثيل هذه الظاهرة بالقياس مع موجات Huygens ، متباعدة للخارج في دوائر متحدة المركز بسرعة الضوء ، مع كل موجة جديدة تنبعث من النقطة التالية على طول مسار الجسيم. إذا كان الجسيم ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء في وسط ما ، فإنه يتجاوز الموجات. تشكل قمم السعة لهذه الموجات مقدمة الموجة لإشعاع Cherenkov.

يتباعد الإشعاع في شكل مخروط حول مسار الجسيم. تعتمد الزاوية الموجودة أعلى المخروط على سرعة الجسيم وعلى سرعة الضوء في الوسط. هذا هو بالضبط ما يجعل إشعاع Cherenkov مفيدًا جدًا من وجهة نظر فيزياء الجسيمات الأولية ، لأنه من خلال تحديد الزاوية عند قمة المخروط ، يمكن للمرء حساب سرعة الجسيم منه.

طلب

وجد إشعاع فافيلوف-شيرينكوف تطبيقات مختلفة في الفيزياء النووية التجريبية وفيزياء الجسيمات الأولية. يعتمد على تشغيل ما يسمى عدادات Cherenkov ، أي كاشفات الجسيمات النسبية المشحونة ، والتي يتم تسجيل إشعاعها باستخدام المضاعفات الضوئية. الغرض الرئيسي من عدادات Cherenkov هو فصل الجسيمات النسبية بنفس العزم ولكن بسرعات مختلفة. دعنا ، على سبيل المثال ، حزمة تتكون من البروتونات والميزونات النسبية تمر عبر مجال مغناطيسي عرضي موحد. سيتم تحديد اتجاهات مسارات الجسيمات التي تم تمريرها فقط من خلال عزمها ، ولكنها لن تعتمد على سرعاتها. بمساعدة الأغشية ، يمكن تمييز البروتونات والسمات التي لها نفس العزم. نظرًا للاختلاف في الكتل ، فإن سرعات النيتروجين ستكون أكبر إلى حد ما من سرعات البروتونات. إذا تم توجيه الحزمة الناتجة إلى غاز وتم اختيار معامل الانكسار n للغاز على هذا النحو ، فإن -mesons ستنتج إشعاع Vavilov-Cherenkov ، لكن البروتونات لن تنتج. وبالتالي ، سوف يسجل العداد -mesons فقط ، لكنه لن يسجل البروتونات.

على الرغم من الضعف الشديد للتوهج ، فإن مستقبلات الضوء حساسة بدرجة كافية لاكتشاف الإشعاع الناتج عن جسيم مشحون واحد. تم إنشاء أدوات تجعل من الممكن تحديد شحنة وسرعة واتجاه حركة الجسيمات ، وطاقتها الإجمالية من إشعاع فافيلوف-شيرينكوف. من المهم عمليًا استخدام هذا الإشعاع للتحكم في تشغيل المفاعلات النووية.

ملحوظات

أنظر أيضا

• مخروط ماخ

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

شاهد ما هو "تأثير فافيلوف-شيرينكوف" في القواميس الأخرى:

إشعاع كهرومغناطيسي سينكروترون سيكلوترون بريمسستراهلونج حراري أحادي اللون شيرينكوف انبعاث راديو انتقالي ميكروويف تيراهيرتز ... ويكيبيديا

تأثير فافيلوف شيرينكوف- Vavilovo Čerenkovo ​​reiškinys status as T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. تأثير Vavilov Tcherenkov vok. تأثير فافيلوف تشرينكوف ، روس. تأثير فافيلوف شيرينكوف ، برانك م. إفيت فافيلوف وتشيرينكوف ، م ... محطات الإلكترونيات الراديوية

- (تأثير Cherenkov Vavilov) ، انبعاث الضوء بواسطة جسيم مشحون كهربائيًا ، والذي يحدث عندما يتحرك في وسط مع عمود. السرعة v ، تتجاوز سرعة طور الضوء في هذا الوسط (سرعة انتشار موجات الضوء). اكتشف في عام 1934 عندما ... ... موسوعة فيزيائية

- (تأثير فافيلوف شيرينكوف) ، يحدث عندما تتحرك الجسيمات المشحونة في مادة بسرعة تتجاوز سرعة طور الضوء (انظر سرعة الطور) في هذه المادة. تم اكتشافه عام 1934 بواسطة P. A. Cherenkov (انظر Pavel Alekseevich CHERENKOV) مع ... ... قاموس موسوعي

- (تأثير Cherenkov Vavilov ، يسمى أحيانًا إشعاع Vavilov Cherenkov) إشعاع الضوء بواسطة جسيم مشحون كهربائيًا يحدث عندما يتحرك في وسط مع عمود. السرعة؟ تتجاوز طور سرعة الضوء بهذه الوسيلة (السرعة ... ... موسوعة فيزيائية

تأثير- (1) جسدي. ظاهرة أو نتيجة ، نتيجة لأية أسباب ، أو أفعال ، أو تأثير ، وما إلى ذلك ؛ (2) هاء الكهروضوئية الداخلية ، انظر ، (3) ه. انبعاث ديناترون للإلكترونات في الأجهزة الإلكترونية من سطح قطب كهربائي معدني في ... ... موسوعة البوليتكنيك الكبرى

الإشعاع الكهرومغناطيسي السينكروترون سيكلوترون Bremsstrahlung Equilibrium Monochromatic Cherenkov انبعاث الراديو الانتقالي الميكروويف تيراهيرتز الأشعة تحت الحمراء المرئية فوق البنفسجية ... ويكيبيديا

) في ثمانينيات القرن التاسع عشر ، ولكن تم اكتشاف هذا التأثير عن طريق الصدفة ، ربما بواسطة ماري وبيير كوري. تمت دراسته بعناية من قبل بافل شيرينكوف في ثلاثينيات القرن الماضي ، وبعد بضع سنوات تم شرح التأثير بالتفصيل من قبل إيليا ميخائيلوفيتش فرانك وإيجور إيفجينيفيتش تام. حصل ثلاثة من هؤلاء الفيزيائيين على جائزة نوبل عام 1958 لدراستهم لهذه الظاهرة.

ملحوظة. الترجمة: في مصادر باللغة الإنجليزية ، دائمًا تقريبًا ، عند وصف إشعاع Cherenkov ، يسارع المؤلفون إلى ذكر الزوجين Curie وحقيقة أنه في بداية القرن العشرين بدا أنهما قد لاحظا نوعًا من التوهج الأزرق في تجاربهم مع الراديوم. ومع ذلك ، فهي عادة لا تشير إلى مصدر هذه المعلومات ؛ في حالات نادرة ، يكتبون أن المعلومات تم الحصول عليها على أساس قراءة كتاب فني ، سيرة ذاتية للكوري ، كتبها ابنتهم إيفا.

وفي السيرة الذاتية نفسها ، يقال هذا فقط عن الوهج الأزرق:

"وفي وسط الحظيرة المظلمة ، توجد أواني زجاجية بها جزيئات ثمينة من الراديوم ، موضوعة ، في غياب الخزائن ، ببساطة على الطاولات ، على أرفف خشبية مثبتة على الجدران ، تتلألأ بظلال فسفورية مزرقة ، كما لو كانت معلقة في الظلام. " // "بيير وماري كوري" ، العابرة. من الفرنسية S. A. Shukarev، Evgeny Fedorovich Korsh، ed. 1959

ماذا كانت هذه الملاحظة؟ درس شيرينكوف الضوء الأزرق الناتج عندما وُضعت الأجسام المشعة (التي تحتوي على ذرات تتفكك نواتها إلى نوى أخرى ، وتطلق جزيئات عالية الطاقة تشمل الإلكترونات والبوزيترونات) بالقرب من الماء ومواد شفافة أخرى. نحن نعلم الآن أن أي جسيم مشحون كهربائيًا ، مثل الإلكترون ، يتحرك بطاقة عالية بما يكفي من خلال الماء أو الهواء أو أي وسط شفاف آخر سوف ينبعث منه ضوء أزرق. ينتقل هذا الضوء من الجسيم بزاوية معينة إلى اتجاه حركته.

ماذا يحدث؟ كما اكتشف فرانك وتام ، فإن هذه صدمة فوتونية ، تشبه الدوي الصوتي الذي يحدث عندما تتحرك طائرة أسرع من الصوت بسرعة أكبر من سرعة الصوت ، أو التموج الذي تحدثه السفينة على الماء. ينتقل الضوء في وسط شفاف بسرعة مختلفة عن الضوء في الفراغ بسبب التفاعل بين الضوء والجسيمات المشحونة (الإلكترونات والنواة الذرية) التي تشكل هذا الوسط. على سبيل المثال ، ينتقل الضوء في الماء بنسبة 25٪ أبطأ مما ينتقل في الفراغ! لذلك ، من الأسهل أن يسافر الإلكترون عالي الطاقة أسرع من الضوء الذي ينتقل في الماء ، ولا يزال لا يتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. إذا كان مثل هذا الجسيم ينتقل عبر الماء ، فإنه يخلق موجة انفجار كهرومغناطيسية مماثلة لموجة الانفجار التي تولدها طائرة أسرع من الصوت في هواء كثيف. تأتي هذه الموجة من جسيم ، تمامًا مثل الموجة الصوتية التي تأتي من طائرة ، وتحمل الطاقة فيها بأشكال عديدة (أطوال موجية) من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك الضوء المرئي. يتم إنشاء المزيد من الطاقة في الطرف الأرجواني من قوس قزح مقارنة بالنهاية الحمراء ، لذلك يبدو الضوء في الغالب أزرقًا لأعيننا وأدمغتنا.

هذا الإشعاع مفيد للغاية في فيزياء الجسيمات ، لأنه يوفر طريقة رائعة لاكتشاف الجسيمات عالية الطاقة! لا يمكننا فقط رؤية وجود جسيمات مشحونة عالية الطاقة بسبب الضوء المنبعث منها ، بل يمكننا فهم المزيد من خلال دراسة تفاصيل هذا الضوء. يمكن أن يساعد نمط الإشعاع الدقيق في تحديد (أ) المسار الذي يسلكه الجسيم في الوسط ، (ب) مقدار الطاقة التي يحملها ، وحتى (ج) شيء يتعلق بكتلته (لأن الإلكترونات ستشتت عبر الوسط وستنتشر الجسيمات الثقيلة تتصرف بشكل مختلف). العديد من التجارب المهمة للغاية ، بما في ذلك تلك التي فازت لاحقًا بجائزة نوبل ، تستند إلى هذا الإشعاع. من بينها التجارب التي لعبت دورًا رئيسيًا في دراسة النيوترينوات ، مثل Super-Kamiokande.

يعتبر إشعاع Cherenkov مفيدًا جدًا أيضًا في التحقق من صحة وصف الطبيعة من خلال نظرية النسبية لأينشتاين. الأشعة الكونية - الجسيمات القادمة من الفضاء السحيق (غالبًا ما تصطدم بشيء في الغلاف الجوي وتخلق شلالات من الجسيمات التي يمكن الكشف عنها بواسطة أجهزة الكشف على الأرض) ، في حالات نادرة ، يمكن أن يكون لها طاقة عالية للغاية - 100 مليون مرة أكبر من طاقة البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير. تم إنشاء هذه الجسيمات (على حد علمنا) على بعد عدة سنوات ضوئية من الأرض في أحداث فلكية قوية مثل المستعرات الأعظمية. لنفترض أن سرعة الضوء لن تكون هي الحد الأقصى للسرعة العالمية ، وأن هذه الجسيمات ستنتقل أسرع من الضوء في فراغ الفضاء. ثم هذه الجسيمات عالية الطاقة ستسبب أيضًا إشعاع شيرينكوف. وبما أن رحلتهم كانت طويلة جدًا ، فقد فقدوا الكثير من الطاقة لهذا الإشعاع. اتضح أن هذا الفقد في الطاقة يمكن أن يحدث بسرعة كبيرة ، وأن هذه الجسيمات لا يمكنها بعد ذلك السفر لمسافات فلكية وتحتفظ بهذه المستويات العالية من الطاقة ، إلا إذا بقيت سرعتها أقل من سرعة الضوء.

باختصار ، إذا كان بإمكان الأشعة الكونية فائقة الطاقة أن تنتقل أسرع من الضوء ، فلن نتمكن من رصد أي أشعة كونية بهذه الطاقة ، لأنها ستفقد كل طاقتها قبل الوصول إلى الأرض. لكننا نراقبهم.

هناك مشكلة صغيرة هنا: نحن على يقين تقريبًا من أن معظمهم لديهم شحنة: تشير خصائصهم إلى أنهم يشاركون في تفاعل نووي قوي ، والجسيمات المستقرة الوحيدة التي يمكنها السفر مثل هذه المسافات هي البروتونات ، وبشكل عام ، نوى ذرات ، وجميعهم لديهم شحنة كهربائية. حتى لو استخدمت هذه الحيلة ، لكن القيود يمكن أن تضعف قليلاً ، لكنها ستظل قوية جدًا.

من هذا يمكننا أن نستنتج: لا يمكن للأشعة الكونية فائقة الطاقة (وكذلك جميع الأشعة الكونية منخفضة الطاقة بشكل عام) أن تتحرك أسرع من سرعة الضوء ، على الأقل أسرع بكثير. وإذا كان هذا الرصاص موجودًا ، فإن تقديراته ، التي أجراها في أواخر التسعينيات الفيزيائيان المشهوران سيدني كولمان وشيلدون جلاشو ، تقول إن هذه القيمة يمكن أن تساوي عشرة أجزاء من تريليون تريليون. منذ ذلك الحين ، من المحتمل أن تكون هذه الحدود قد تحسنت من خلال البيانات التجريبية.

وبالمثل ، فإن حقيقة أنه يمكننا ملاحظة الإلكترونات عالية الطاقة تضع حدًا لسرعتها بالنسبة إلى سرعة الضوء. تقول إحدى المزاعم الأخيرة التي قرأتها عن أن ملاحظات الإلكترونات ذات الطاقات تصل إلى 0.5 تيرا إلكترون فولت تشير إلى أن الإلكترونات لا يمكنها تجاوز سرعة الضوء بأكثر من جزء واحد في الألف تريليون.

تم اكتشاف تأثير فافيلوف-شيرينكوف في عام 1934 من قبل الفيزيائي السوفيتي بافيل ألكسيفيتش شيرينكوف ، الذي عمل في مختبر يرأسه الأكاديمي سيرجي إيفانوفيتش فافيلوف.

تاريخ الاكتشاف

بافل الكسيفيتش شيرينكوف

أثناء تجربة لدراسة اللمعان (التوهج "البارد") للسوائل تحت تأثير أشعة جاما ، اكتشف عالم شاب توهجًا أزرق جميلًا ، والذي كان ضعيفًا نوعًا ما. يمكن ملاحظته في جميع السوائل الشفافة النقية. علاوة على ذلك ، على عكس اللمعان ، فإن سطوع هذا التوهج عمليا لا يعتمد على التركيب الكيميائي للسائل. ولم تؤثر درجة الحرارة ولا إضافة الشوائب على شدتها. بالإضافة إلى ذلك ، إذا حدث اللمعان بشكل موحد في جميع الاتجاهات ، فسيتم استقطاب الإشعاع الجديد وتوجيهه على طول شعاع الإلكترون. تلخيصًا لملاحظاته ، توصل شيرينكوف إلى استنتاج مفاده أن الضوء لا ينبعث من سائل ، ولكن بواسطة إلكترونات سريعة تتحرك فيه. تم استدعاء الإشعاع المفتوح تأثير فافيلوف-شيرينكوف .

تم شرح طبيعة هذه الظاهرة في عام 1937 من قبل الفيزيائيين السوفييت إيغور إفجينيفيتش تام وإيليا ميخائيلوفيتش فرانك.

إيغور إيفجينيفيتش تام

ايليا ميخائيلوفيتش فرانك

إشعاع فافيلوف-شيرينكوف

اضغط على الصورة

كيف نفسر تأثير فافيلوف-شيرينكوف؟

نحن نعلم أنه في الفراغ ، ينتقل الضوء بأعلى سرعة يمكن تحقيقها. وفقًا لنظرية النسبية ، لا يمكن لأي جسم مادي ، بما في ذلك الجسيمات الأولية السريعة (على سبيل المثال ، البروتونات أو الإلكترونات) ، أن يتحرك بسرعة تتجاوز سرعة الضوء. ولكن في أي وسيط شفاف آخر ، ينتقل الضوء بسرعة أبطأ. على سبيل المثال ، سرعة الضوء في الماء أقل بمقدار الثلث من سرعته في الفراغ. لذلك ، يمكن أن تتجاوز سرعة البروتونات أو الإلكترونات سرعة الضوء في هذا الوسط.

فقط مثل هذا الموقف لوحظ في تجربة شيرينكوف. تتحرك الإلكترونات السريعة ، التي خرجت من ذرات الوسط تحت تأثير إشعاع غاما ، بسرعة تتجاوز سرعة الضوء في هذا الوسط.

وفقًا لمبدأ Huygens ، عند كل نقطة على السطح تصل إليها موجة كروية ، تظهر موجة جديدة. وبالتالي ، يمكن اعتبار كل نقطة في مسار الإلكترون مصدرًا لموجة تنشأ في اللحظة التي يمر فيها الإلكترون. كل هذه الموجات تسير بنفس السرعة. ش = ج / ن ، أين ش - سرعة انتشار الموجة ؛ مع - سرعة الضوء؛ ن هو معامل الانكسار للوسط.

إذا كان الجسيم يتحرك أسرع من موجات الضوء ، فإنه يتخطى الموجات وفي الوقت المناسب ر ستنتقل من النقطة A إلى النقطة E ، مساوية لـ ت ، أين الخامس هي سرعة الجسيم. سيساوي نصف قطر الموجة الكروية المنبعثة من النقطة أ R = u t ، أو ج / ن ر . تشكل قمم اتساع هذه الموجات جبهة موجة (سطح موجة وصلت إليه التذبذبات). يطلق عليه جبهة موجة Cherenkov. يبدو مخروطًا برأسه عند النقطة E. تُظهر المعايير القياسية للمصفوفة المولدة للمخروط اتجاه حركة موجات الضوء.

تعتمد الزاوية بين الاتجاه العمودي واتجاه حركة الجسيمات على سرعة الجسيم وعلى سرعة الضوء في الوسط. لذلك ، بحساب هذه الزاوية ، يمكننا حساب سرعة الجسيم.

العلاقة بين قيمة هذه الزاوية وسرعة الجسيم تحددها الصيغة:

التطبيق العملي لتأثير فافيلوف-شيرينكوف

توهج Cherenkov ضعيف نوعًا ما. ومن أجل رؤيتها ، كان على شيرينكوف الجلوس في الظلام لفترة طويلة ، حتى تتمكن "الخلية الكهروضوئية" الأكثر حساسية في ذلك الوقت - عينه - من رؤية هذا الإشعاع. ولكن في منتصف القرن العشرين ، تم إنشاء المضاعفات الضوئية التي جعلت من الممكن اكتشاف حتى الفوتونات الفردية. أعطى هذا زخما للتطبيق العملي للظاهرة التي اكتشفها العلماء. نتيجة لذلك ، ظهرت كاشفات Cherenkov ، والتي بدأ استخدامها للكشف عن الجسيمات النسبية (الجسيمات تتحرك بسرعة مماثلة لسرعة الضوء).

مهمة كاشف Cherenkov ، أو كاشف الإشعاع Cherenkov ، - لفصل الجسيمات الثقيلة عن الجسيمات الأخف عن طريق تحديد كتلها بشكل غير مباشر. للقيام بذلك ، حدد زاوية انبعاث ضوء Cherenkov وحساب سرعة الجسيم. بعد ذلك ، وفقًا لانحناء مسار الجسيم في المجال الكهرومغناطيسي ، يتم الحصول على مقدار زخمه ، مما يجعل من الممكن حساب كتلته وتحديد الجسيم نفسه.

وفقًا لإشعاع Cherenkov ، يتم تحديد محتوى النويدات المشعة في الماء مباشرة ، دون استخدام أجهزة الكشف الخاصة.

يستخدم تأثير فافيلوف-شيرينكوف على نطاق واسع في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات الأولية.

يتم تثبيت أجهزة الكشف عن Cherenkov في المراصد. يتم استخدامها في جميع أنحاء العالم. على سبيل المثال ، في اليابان ، في مختبر Kamioka ، يعمل كاشف Super-Kamiokande ، والذي يمكنه استيعاب 50000 طن من الماء و 11000 عنصر حساس للضوء.

لوحظ إشعاع Cherenkov في مبرد مفاعل نووي. يتم استخدامه للتحكم في تشغيل المفاعلات النووية.

في عام 1958 ، مُنح فافيلوف وتام وفرانك جائزة نوبل في الفيزياء ، والتي مُنحت لهم "لاكتشاف وتفسير تأثير شيرينكوف".