) в 1880-х, но этот эффект был обнаружен случайно, возможно, Марией и Пьером Кюри. Его тщательно изучал Павел Черенков в 1930-е годы, а через несколько лет эффект подробно объяснили Илья Михайлович Франк и Игорь Евгеньевич Тамм . Три этих физика получили за изучение этого явления нобелевскую премию в 1958 году.

Прим. перев.: в англоязычных источниках почти всегда при описании излучения Черенкова авторы спешат упомянуть чету Кюри и то, что они ещё в начале XX века вроде бы наблюдали некое голубое свечение в своих опытах с радием. При этом обычно источника этой информации они не указывают; в редких случаях пишут, что информация получена на основании прочтения художественной книги, биографией четы Кюри, написанной их дочерью, Евой.

А в самой биографии о голубом свечении сказано только вот что:

«И среди темного сарая стеклянные сосудики с драгоценными частицами радия, разложенные, за отсутствием шкафов, просто на столах, на прибитых к стенам дощатых полках, сияют голубоватыми фосфоресцирующими силуэтами, как бы висящими во мраке.» // «Пьер и Мария Кюри», пер. с французского С. А. Шукарев, Евгений Федорович Корш, изд. 1959 г.

Что это было за наблюдение? Черенков изучал голубой свет, появлявшийся в тот момент, когда радиоактивные объекты (содержащие атомы, чьё ядро распадается на другие ядра, выплёвывая частицы высокой энергии, среди которых встречаются электроны и позитроны) размещались рядом с водой и другими прозрачными материалами. Сейчас мы знаем, что любая электрически заряженная частица, такая, как электрон, движущаяся с достаточно высокой энергией через воду, воздух или другую прозрачную среду, будет испускать голубой свет. Свет этот движется от частицы под определённым углом к направлению её движения.

Что происходит? Как поняли Франк и Тамм, это фотонный удар, аналогичный звуковому удару, происходящему, когда сверхзвуковой летательный аппарат движется быстрее скорости звука, или волнению, которое создаёт судно, идущее по воде. Свет в прозрачной среде будет двигаться со скоростью, отличающейся от скорости света в вакууме из-за взаимодействия между светом и заряженными частицами (электронами и ядрами атомов), составляющими эту среду. К примеру, в воде свет перемещается примерно на 25% медленнее, чем в вакууме! Поэтому электрону высокой энергии легче перемещаться быстрее, чем свет перемещается в воде, и при этом не превышать скорости света в вакууме. Если такая частица идёт через воду, она создаёт электромагнитную взрывную волну, похожую на взрывную волну, создаваемую сверхзвуковым самолётом в плотном воздухе. Эта волна исходит от частицы, так же, как звуковая волна исходит от самолёта, и переносит в себе энергию во многих формах (длинах волн) электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создаётся больше, чем на красном, поэтому свет для наших глаз и мозга выглядит в основном голубым.

Такое излучение чрезвычайно полезно в физике частиц, ибо оно даёт прекрасный способ обнаружения частиц высокой энергии! Мы не только можем видеть присутствие заряженных частиц высокой энергии благодаря испускаемому ими свету, мы можем постичь гораздо больше, изучая подробности этого света. Точная схема излучения может помочь определить (а) по какому пути частица следует в среде, (б) сколько энергии она переносит, и даже (в) кое-что по поводу её массы (поскольку электроны будут рассеиваться в среде, а более тяжёлые частицы будут вести себя по-другому). Несколько очень важных экспериментов, включая и те, что впоследствии получили нобелевку, основываются на этом излучении. Среди них эксперименты, сыгравшие главную роль в изучении нейтрино, например, Супер-Камиоканде .

Излучение Черенкова также очень полезно при проверках правильности описания природы эйнштейновской теорией относительности. Космические лучи – частицы, летящие из глубокого космоса (часто сталкивающиеся с чем-нибудь в атмосфере и порождающие каскады частиц, которые можно обнаружить детекторами на земле), в редких случаях могут обладать чрезвычайно высокой энергией – в 100 миллионов раз большей, чем энергия протонов в Большом Адронном Коллайдере. Эти частицы (насколько мы знаем) были созданы на расстоянии многих световых лет от Земли в таких мощных астрономических событиях, как сверхновые. Предположим, что скорость света была бы не универсальным ограничением скорости, и эти частицы перемещались бы быстрее света в вакууме космоса. Тогда эти высокоэнергетические частицы также вызывали бы излучение Черенкова. А поскольку их путь был таким долгим, они потеряли бы много энергии на это излучение. Оказывается, что эта потеря энергии может происходить очень быстро, и что эти частицы в таком случае не могли бы преодолеть астрономические расстояния и сохранить такие высокие уровни энергии, если только их скорость не оставалась меньше, чем скорость света.

Короче говоря, если бы космические лучи сверхвысоких энергий могли двигаться быстрее света, тогда мы не могли бы наблюдать никаких космических лучей с такой энергией, ибо они должны были бы растерять всю свою энергию до того, как достигнут Земли. Но мы их наблюдаем.

Тут есть небольшой подвох: мы почти уверены, что большая часть их обладает зарядом: их свойства говорят о том, что они участвуют в сильном ядерном взаимодействии, а единственные стабильные частицы, способны пройти такие расстояния – это протоны, и вообще, ядра атомов, и все они обладают электрическим зарядом. Если даже воспользоваться этим подвохом, но ограничения можно немного ослабить, но они всё равно останутся довольно сильными.

Из этого можно заключить: космические лучи сверхвысоких энергий (а также вообще все космические лучи низких энергий) не могут двигаться быстрее скорости света, по крайней мере, сильно быстрее. И если это опережение существует, то его оценки, сделанные в конце 1990-х знаменитыми физиками Сидни Коулманом и Шелдоном Глэшоу , говорят, что эта величина может быть равной десяти частям из триллиона триллионов. С тех пор эти ограничения, вероятно, были улучшены благодаря данным экспериментов.

Точно так же, то, что мы можем наблюдать высокоэнергетические электроны, накладывает ограничение на их скорость по отношению к скорости света. Одно из последних заявлений, о которых я читал, говорит, что из наблюдений за электронами с энергиями до 0,5 ТэВ следует, что электроны не могут превышать скорость света больше, чем на одну часть из тысячи триллионов.

Рентгеновское Гамма-излучение Ионизирующее Реликтовое Магнито-дрейфовое Двухфотонное Спонтанное Вынужденное

Эффект Вавилова - Черенко́ва (излучение Вавилова - Черенкова) - свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Черенковское излучение широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей.

История открытия

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 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».

Механизм и геометрия излучения

Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы высоких энергий, не может двигаться со скоростью, равной скорости света в вакууме. Но к скорости движения в прозрачных средах это ограничение не относится. В стекле или в воде, например, свет распространяется со скоростью, составляющей 60-70% от скорости света в вакууме, и ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в такой среде.

В 1934 году Павел Черенков проводил исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения и обнаружил слабое голубое свечение (которое теперь названо его именем), вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Чуть позже выяснилось, что эти электроны двигались со скоростью выше скорости света в среде. Это был как бы оптический эквивалент ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолет, преодолевая звуковой барьер. Представить это явление можно по аналогии с волнами Гюйгенса, расходящимися вовне концентрическими кругами со скоростью света, причем каждая новая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица летит быстрее скорости распространения света в среде, она обгоняет волны. Пики амплитуды этих волн и образуют волновой фронт излучения Черенкова.

Излучение расходится конусом вокруг траектории движения частицы. Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Это как раз и делает излучение Черенкова столь полезным с точки зрения физики элементарных частиц, поскольку, определив угол при вершине конуса, можно рассчитать по нему скорость частицы.

Применение

Излучение Вавилова-Черенкова нашло разнообразные применения в экспериментальной ядерной физике и физике элементарных частиц. На нем основано действие так называемых черенковских счетчиков, то есть детекторов релятивистских заряженных частиц, излучение которых регистрируется с помощью фотоумножителей. Основное назначение черенковских счетчиков - разделение релятивистских частиц с одинаковыми импульсами, но различными скоростями. Пусть, например, пучок, состоящий из релятивистских протонов и -мезонов, проходит через однородное поперечное магнитное поле. Направления траекторий прошедших частиц будут определяться только их импульсами, но не будут зависеть от их скоростей. С помощью диафрагм можно выделить протоны и -мезоны с одинаковыми импульсами. Из-за различия масс скорости -мезонов окажутся несколько больше скоростей протонов. Если полученный пучок направить в газ и подобрать показатель преломления n газа так, чтобы было, то -мезоны будут давать излучение Вавилова-Черенкова, а протоны - нет. Таким образом, счетчик будет регистрировать только -мезоны, но не будет регистрировать протоны.

Несмотря на чрезвычайную слабость свечения, приемники света достаточно чувствительны, чтобы зарегистрировать излучение, порожденное единственной заряженной частицей. Созданы приборы, которые позволяют по излучению Вавилова-Черенкова определить заряд, скорость и направление движения частицы, ее полную энергию. Практически важно применение этого излучения для контроля работы ядерных реакторов.

Примечания

См. также

• Конус Маха

Физика (экспериментальная теоретическая)
Основные разделы	Механика Термодинамика Статистическая физика Электродинамика Колебания и Волны Квантовая физика Атомная физика Ядерная физика Физика элементарных частиц Теория поля
Механика	Классическая механика Специальная теория относительности Общая теория относительности Релятивистская механика Квантовая механика Механика сплошных сред
Термодинамика и статистическая физика	Молекулярная физика Физическая кинетика Физика конденсированного состояния
Теория поля	Классическая теория поля Квантовая теория поля
Электродинамика	Электростатика Магнитостатика Электродинамика сплошных сред Оптика Квантовая электродинамика
Колебания и волны	Оптика Акустика Радиофизика Теория колебаний
Прикладная физика	Физика плазмы Лазерная физика
Связанные науки	Химическая физика Физическая химия Математическая физика Астрофизика Геофизика Биофизика Физика атмосферы Метрология Материаловедение
См. также	Космология Нелинейная динамика

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эффект Вавилова - Черенкова" в других словарях:

Электромагнитное излучение Синхротронное Циклотронное Тормозное Тепловое Монохроматическое Черенковское Переходное Радиоизлучение Микроволновое Терагерц … Википедия

эффект Вавилова-Черенкова - Vavilovo Čerenkovo reiškinys statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. Vavilov Tcherenkov effect vok. Vavilov Tcherenkov Effekt, m rus. эффект Вавилова Черенкова, m pranc. effet Vavilov et Tcherenkov, m … Radioelektronikos terminų žodynas

- (Черенкова Вавилова эффект), излучение света электрически заряженной ч цей, возникающее при её движении в среде с пост. скоростью v, превышающей фазовую скорость света в этой среде (скорость распространения световых волн). Обнаружено в 1934 при… … Физическая энциклопедия

- (эффект Вавилова Черенкова), возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света (см. ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ) в этом веществе. Обнаружено в 1934 г. П. А. Черенковым (см. ЧЕРЕНКОВ Павел Алексеевич) при… … Энциклопедический словарь

- (Черенкова Вавилова эффект, иногда наз. Вавилова Черенкова излучение) излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при её движении в среде с пост. скоростью?, превышающей фазовую скорость света в этой среде (скорость… … Физическая энциклопедия

ЭФФЕКТ - (1) физ. явление или результат, следствие каких либо причин, действий, влияние и др.; (2) Э. внутренний фотоэлектрический см. , (3) Э. динатронный испускание электронов в электронных приборах с поверхности металлического электрода при… … Большая политехническая энциклопедия

Электромагнитное излучение Синхротронное Циклотронное Тормозное Равновесное Монохроматическое Черенковское Переходное Радиоизлучение Микроволновое Терагерцевое Инфракрасное Видимое Ультраф … Википедия

) в 1880-х, но этот эффект был обнаружен случайно, возможно, Марией и Пьером Кюри. Его тщательно изучал Павел Черенков в 1930-е годы, а через несколько лет эффект подробно объяснили Илья Михайлович Франк и Игорь Евгеньевич Тамм . Три этих физика получили за изучение этого явления нобелевскую премию в 1958 году.

Прим. перев.: в англоязычных источниках почти всегда при описании излучения Черенкова авторы спешат упомянуть чету Кюри и то, что они ещё в начале XX века вроде бы наблюдали некое голубое свечение в своих опытах с радием. При этом обычно источника этой информации они не указывают; в редких случаях пишут, что информация получена на основании прочтения художественной книги, биографией четы Кюри, написанной их дочерью, Евой.

А в самой биографии о голубом свечении сказано только вот что:

«И среди темного сарая стеклянные сосудики с драгоценными частицами радия, разложенные, за отсутствием шкафов, просто на столах, на прибитых к стенам дощатых полках, сияют голубоватыми фосфоресцирующими силуэтами, как бы висящими во мраке.» // «Пьер и Мария Кюри», пер. с французского С. А. Шукарев, Евгений Федорович Корш, изд. 1959 г.

Что это было за наблюдение? Черенков изучал голубой свет, появлявшийся в тот момент, когда радиоактивные объекты (содержащие атомы, чьё ядро распадается на другие ядра, выплёвывая частицы высокой энергии, среди которых встречаются электроны и позитроны) размещались рядом с водой и другими прозрачными материалами. Сейчас мы знаем, что любая электрически заряженная частица, такая, как электрон, движущаяся с достаточно высокой энергией через воду, воздух или другую прозрачную среду, будет испускать голубой свет. Свет этот движется от частицы под определённым углом к направлению её движения.

Что происходит? Как поняли Франк и Тамм, это фотонный удар, аналогичный звуковому удару, происходящему, когда сверхзвуковой летательный аппарат движется быстрее скорости звука, или волнению, которое создаёт судно, идущее по воде. Свет в прозрачной среде будет двигаться со скоростью, отличающейся от скорости света в вакууме из-за взаимодействия между светом и заряженными частицами (электронами и ядрами атомов), составляющими эту среду. К примеру, в воде свет перемещается примерно на 25% медленнее, чем в вакууме! Поэтому электрону высокой энергии легче перемещаться быстрее, чем свет перемещается в воде, и при этом не превышать скорости света в вакууме. Если такая частица идёт через воду, она создаёт электромагнитную взрывную волну, похожую на взрывную волну, создаваемую сверхзвуковым самолётом в плотном воздухе. Эта волна исходит от частицы, так же, как звуковая волна исходит от самолёта, и переносит в себе энергию во многих формах (длинах волн) электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создаётся больше, чем на красном, поэтому свет для наших глаз и мозга выглядит в основном голубым.

Такое излучение чрезвычайно полезно в физике частиц, ибо оно даёт прекрасный способ обнаружения частиц высокой энергии! Мы не только можем видеть присутствие заряженных частиц высокой энергии благодаря испускаемому ими свету, мы можем постичь гораздо больше, изучая подробности этого света. Точная схема излучения может помочь определить (а) по какому пути частица следует в среде, (б) сколько энергии она переносит, и даже (в) кое-что по поводу её массы (поскольку электроны будут рассеиваться в среде, а более тяжёлые частицы будут вести себя по-другому). Несколько очень важных экспериментов, включая и те, что впоследствии получили нобелевку, основываются на этом излучении. Среди них эксперименты, сыгравшие главную роль в изучении нейтрино, например, Супер-Камиоканде .

Излучение Черенкова также очень полезно при проверках правильности описания природы эйнштейновской теорией относительности. Космические лучи – частицы, летящие из глубокого космоса (часто сталкивающиеся с чем-нибудь в атмосфере и порождающие каскады частиц, которые можно обнаружить детекторами на земле), в редких случаях могут обладать чрезвычайно высокой энергией – в 100 миллионов раз большей, чем энергия протонов в Большом Адронном Коллайдере. Эти частицы (насколько мы знаем) были созданы на расстоянии многих световых лет от Земли в таких мощных астрономических событиях, как сверхновые. Предположим, что скорость света была бы не универсальным ограничением скорости, и эти частицы перемещались бы быстрее света в вакууме космоса. Тогда эти высокоэнергетические частицы также вызывали бы излучение Черенкова. А поскольку их путь был таким долгим, они потеряли бы много энергии на это излучение. Оказывается, что эта потеря энергии может происходить очень быстро, и что эти частицы в таком случае не могли бы преодолеть астрономические расстояния и сохранить такие высокие уровни энергии, если только их скорость не оставалась меньше, чем скорость света.

Короче говоря, если бы космические лучи сверхвысоких энергий могли двигаться быстрее света, тогда мы не могли бы наблюдать никаких космических лучей с такой энергией, ибо они должны были бы растерять всю свою энергию до того, как достигнут Земли. Но мы их наблюдаем.

Тут есть небольшой подвох: мы почти уверены, что большая часть их обладает зарядом: их свойства говорят о том, что они участвуют в сильном ядерном взаимодействии, а единственные стабильные частицы, способны пройти такие расстояния – это протоны, и вообще, ядра атомов, и все они обладают электрическим зарядом. Если даже воспользоваться этим подвохом, но ограничения можно немного ослабить, но они всё равно останутся довольно сильными.

Из этого можно заключить: космические лучи сверхвысоких энергий (а также вообще все космические лучи низких энергий) не могут двигаться быстрее скорости света, по крайней мере, сильно быстрее. И если это опережение существует, то его оценки, сделанные в конце 1990-х знаменитыми физиками Сидни Коулманом и Шелдоном Глэшоу , говорят, что эта величина может быть равной десяти частям из триллиона триллионов. С тех пор эти ограничения, вероятно, были улучшены благодаря данным экспериментов.

Точно так же, то, что мы можем наблюдать высокоэнергетические электроны, накладывает ограничение на их скорость по отношению к скорости света. Одно из последних заявлений, о которых я читал, говорит, что из наблюдений за электронами с энергиями до 0,5 ТэВ следует, что электроны не могут превышать скорость света больше, чем на одну часть из тысячи триллионов.

Эффект Вавилова-Черенкова был открыт в 1934 г. советским физиком Павлом Алексеевичем Черенковым, работавшим в лаборатории, возглавляемой академиком Сергеем Ивановичем Вавиловым.

История открытия

Павел Алексеевич Черенков

Во время эксперимента по исследованию люминесценции («холодного» свечения) жидкостей под воздействием гамма-излучения молодой учёный обнаружил красивое голубое свечение, которое было довольно слабым. Его можно было наблюдать у всех чистых прозрачных жидкостей. Причём, в отличие от люминесценции, яркость этого свечения практически не зависела от химического состава жидкости. И ни температура, ни добавление примесей не влияли на его интенсивность. Кроме того, если люминесценция происходит равномерно во все стороны, то новое излучение было поляризовано и направлено вдоль пучка электронов. Обобщив свои наблюдения, Черенков пришёл к выводу, что свет излучается не жидкостью, а движущимися в ней быстрыми электронами. Открытое излучение было названо эффектом Вавилова-Черенкова .

Природу этого явления объяснили в 1937 г. советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк.

Игорь Евгеньевич Тамм

Илья Михайлович Франк

Излучение Вавилова-Черенкова

Нажать на изображение

Как же объяснить эффект Вавилова-Черенкова?

Мы знаем, что в вакууме свет движется с наивысшей скоростью, которой можно достичь. Согласно теории относительности, ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы (например, протоны или электроны), не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Но в любой другой прозрачной среде свет распространяется с меньшей скоростью. Например, скорость света в воде на треть меньше его скорости в вакууме. Поэтому скорость протонов или электронов может превысить скорость света в этой среде.

Как раз такая ситуация и наблюдалась в опыте Черенкова. Быстрые электроны, выбитые из атомов среды под воздействием гамма-излучения, двигались со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Согласно принципу Гюйгенса, в каждой точке поверхности, достигнутой сферической волной, возникает новая волна. Таким образом, каждую точку траектории электрона можно считать источником волны, возникающей в момент в момент её прохождения им. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью u = c/n , где u - скорость распространения волны; с - скорость света; n - показатель преломления среды.

Если частица движется быстрее световых волн, то она обгоняет волны и за время t пройдёт путь от точки А до точки Е, равный v·t , где v - скорость частицы. Радиус сферической волны, испущенной из точки А, будет равен R = u·t , или c/n·t . Пики амплитуд этих волн образуют волновой фронт (волновую поверхность, до которой дошли колебания). Его называют волновым фронтом Черенкова. Он выглядит, как конус с вершиной в точке Е. Нормали к образующим конуса показывают направление движения световых волн.

Угол между нормалью и направлением движения частиц зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Поэтому вычислив этот угол, можно вычислить и скорость частицы.

Связь между величиной этого угла и скоростью частицы определяет формула:

Практическое применение эффекта Вавилова-Черенкова

Свечение Черенкова довольно слабое. И, чтобы его увидеть, Черенкову приходилось подолгу сидеть в темноте, чтобы самый чувствительный в то время «фотоэлемент» - его глаз - смог это излучение разглядеть. Но в середине ХХ века были созданы фотоумножители, которые позволили фиксировать даже отдельные фотоны. Это дало толчок к практическому применению открытого учёным явления. В итоге появились черенковские детекторы, которые начали использовать для регистрации релятивистских частиц (частиц, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света).

Задача черенковкого детектора , или детектора черенковского излучения, - отделить тяжёлые частицы от более лёгких, косвенным образом определив их массы. Для этого определяют угол излучения черенковского света и вычисляют скорость частицы. Затем по искривлению траектории движения частицы в электромагнитном поле получают величину её импульса, что даёт возможность вычислить её массу и идентифицировать саму частицу.

По черенковскому излучению определяют содержание радионуклидов в воде напрямую, без применения специальных детекторов.

Эффект Вавилова-Черенкова широко применяется в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Детекторы Черенкова установлены в обсерваториях. Они используются во всём мире. Например, в Японии в лаборатории г. Камиока функционирует детектор «Супер-Камиоканде», вмещающий 50 тысяч тонн воды и 11 000 светочувствительных элементов.

Излучение Черенкова наблюдается в охлаждающей жидкости ядерного реактора. Его используют для контроля работы ядерных реакторов.

В 1958 г. Вавилов, Тамм и Франк стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им «за открытие и истолкование эффекта Черенкова».