Свечение Черенкова связано с интересным физическим явлением, когда скорость заряженных частиц превышает фазовую скорость света в веществе. Снижение последней величины происходит из-за преломления лучей. Этот эффект впервые был открыт при изучении люминесценции жидкостей. В последующем он приобрел большое практическое значение в ядерной физике и астрономии.
Что это такое?
Свечение Черенкова представляет собой излучение фотонов, возникающее при движении заряженных частиц с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде.
Это явление имеет универсальный характер, то есть под воздействием облучения, имеющего достаточную энергию, будут «светиться» все типы прозрачных сред, а не только жидкости, как это было выявлено первооткрывателями.
История открытия
Излучение сверхсветовых частиц было открыто в 1934 году. В научной литературе это физическое явление получило название по имени двух советских ученых - свечение Вавилова-Черенкова. Они занимались изучением люминесценции при радиоактивном облучении жидких растворов солей урана.
В ходе опытов были выявлены следующие отличия обнаруженного Черенковым свечения:
- независимость спектра и интенсивности от типа среды и ее температуры;
- связь с движением заряженных частиц;
- поляризация световой волны;
- наибольшая интенсивность – в синем спектре;
- пороговый характер (например, излучение не появляется, если энергия рентгеновского луча превышает 30 КэВ).
На основе этих фактов Черенков сделал заключение, что данное явление – это не люминесценция, а излучение фотонов электронами, которые появляются в результате влияния гамма-лучей.
Определенную сложность в проведении экспериментов представляло то, что для регистрации радиоактивного свечения у Черенкова не существовало специальной аппаратуры. Ученому приходилось в течение нескольких часов адаптировать глаза к полной темноте, чтобы заметить очень слабое излучение. Коллегами по науке обнаруженное явление было воспринято скептически. Такое излучение заметили ранее французский физик Малле и Мария Кюри, но детальное изучение его свойств – это заслуга Черенкова.
В 1958 г. трем ученым-основоположникам, которые предложили теоретическое обоснование этого эффекта – Черенкову, Тамму и Франку – была вручена Нобелевская премия.
Объяснение физического явления
В традиционной интерпретации выделяют несколько факторов, объясняющих, что такое эффект Черенкова:
- заряженные частицы, передвигаясь в среде, взаимодействуют с ее атомами и молекулами;
- происходит их поляризация;
- формируется спонтанное когерентное излучение;
- в результате сложения свечения отдельных атомов наблюдается эффект Черенкова-Вавилова.
Другими словами, данное явление возникает вследствие взаимодействия среды с заряженными частицами.
Теоретическое обоснование свечения Черенкова было дано позже на основе трех научных подходов:
- Тамма-Франка;
- Ферми;
- квантово-механической физики.
Последняя интерпретация отличается от классической. Согласно этому подходу, данное явление связано с электромагнитным вакуумом, которое изменяется веществом, а не с самой средой.
Когда можно наблюдать свечение?
Свечение Черенкова в чистом виде можно наблюдать лишь в идеальных условиях, когда заряженная частица перемещается с неизменной скоростью в радиаторе бесконечной длины. Во всех остальных случаях это явление сопровождается так называемым переходным излучением, которое вызвано изменением электромагнитных свойств среды по траектории движения электрона.
В непрозрачных средах последний тип свечения преобладает, а интенсивность излучения Черенкова снижается из-за его поглощения. Для регистрации отдельной частицы используют суммарный поток фотонов.
Практическое применение
Свечение Черенкова используется для экспериментальных методов в целях регистрации элементарных частиц и исследования их свойств. При известном направлении света и показателе преломления среды можно определить скорость движения частицы. Полученное излучение преобразуется современным фотоэлектронным умножителем в электрический сигнал, фиксируемый черенковским счетчиком.
Такие устройства находят широкое применение в ядерной физике. Теоретическая основа явления связана также с волнами Маха в акустике и некоторыми проблемами ускорителей частиц. Дифференциальный тип счетчиков позволяет идентифицировать вид частицы в ускорителях.
Другой областью применения свечения Черенкова является гамма-астрономия. Черенковские счетчики с большими детекторами фиксируют гамма-кванты, попадающие в атмосферу Земли от далеких звезд из космоса. Это позволяет лучше изучить процессы, происходящие во Вселенной.
Интересные факты
После признания работ, посвященных свечению Черенкова, в экспериментальной и теоретической физике начался активный рост исследований в данной области. С этим явлением связаны следующие интересные факты:
- В глубинах Мирового океана также происходит распад радиоактивных изотопов. Существует гипотеза, что большие глаза у глубоководных животных нужны для того, чтобы видеть при слабом освещении. Даже в больших впадинах океанского дна вода немного светится из-за явления Черенкова-Вавилова, то есть представление о кромешной тьме является ошибочным.
- Описанный эффект Черенкова-Вавилова используется в байкальском подводном нейтринном телескопе. Фотоумножители опускают в озеро на большую глубину на тросах. Назначение установки – исследование спектров нейтрино и мюонов, содержащихся в космическом излучении.
- Существует также интересный проект использования в качестве черенковского радиатора ледяной поверхности Антарктиды.
- Разработан и постепенно реализуется международный проект «Массив черенковских телескопов», главным предназначением которого является исследование космического пространства в спектре гамма-излучения. Будет построено 118 тарелочных телескопов по всему миру.
Интенсивное свечение Черенкова наблюдают также при выгрузке отработанного ядерного топлива электростанций в бассейн выдержки, после чего кассеты отправляют на утилизацию.
