ЧЕРЕНКОВА-ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ

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:

(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. Черепковский 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 действиемpaдиации, "Докл. АН СССР", 1934, т. 2, №
8; Вавилове. 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., Та мм И. E., ФранкИ. M., Нобелевские
лекции, M., i960; Д же л ли Д ж., Черенковское излучение и его применения,
пер. с англ., M., 1960; Зрелое В. П., Излучение Вавилова - Черенкова и
его применение в физике высоких энергий, ч. 1-2, M., 1968. И. M. Франк.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я