Ефект Вавілова-Черенкова

Великим відкриттям у фізиці стало відкриття свічення, яке спостерігається у речовині, в якій рухаються заряджені частки зі швидкістю, яка більша фазової швидкості світла у даному середовищі. Фазовою швидкістю світла в середовищі називають відношення довжини хвилі даного випромінювання до його періоду коливання, тобто , де – фазова швидкість світла в середовищі; – довжина хвилі; – період світлових коливань.

Величина її може бути також виражена відношенням:

,

де с – швидкість світла у вакуумі; n – абсолютний показник заломлення середовища.

Тобто, якщо швидкість руху заряджених часток у середовищі , то середовище починає світитися характерним свіченням, яке називають випромінюванням Вавілова–Черенкова. Відкрите це явище в 1934 р., радянським фізиком П.О. Черенковим. С.І. Вавілову належать великі заслуги в установці природи цього випромінювання.

Для з’ясування суті випромінювання Вавілова-Черенкова скористаємося рисунком (рис. 5.7):

 

 

 

Рис. 5.7

 

Тут е – електрон, який рухається вздовж лінії 1, 2, 3 … у конденсованому середовищі зі швидкістю . Пролітаючи повз частинки (атоми, молекули) середовища, електрон збуджує їх, завдяки чому вони починають випускати електромагнітні (світлові) хвилі. З кожної точки середовища вони будуть поширюватися у виді сферичних хвиль 1′, 2′, 3′, …. Кожна наступна частка середовища буде збуджуватись із запізненням, тому радіуси хвиль 1′, 2′, 3′, … послідовно зменшуються. Інтерференція цих елементарних хвиль дає результуючу у вигляді конуса, що огинає поверхню із вершиною у точці 4, де в даний момент знаходиться електрон.

Можна визначити кут між напрямком поширення конічної світлової хвилі і напрямком руху електрона. Якщо за одну секунду електрон проходить шлях 1-4, то світлова хвиля за цей час пройде шлях 1-1′. Тому, відрізки 1-4 і 1-1′ рівні відповідно і . Трикутник 11′ 4 прямокутний із прямим кутом у вершині 1′ ^'. Кут між і буде визначатися рівністю:

5.8

Але , де . Враховуючи, що , вираз (5.8) можемо переписати інакше:

5.9

Вираз (5.9) визначає найважливіший закон випромінювання Вавілова-Черенкова.

 

 

 

Рис. 5.8

 

Встановлено, що випромінювання є поляризованим: електричний вектор лежить у одній площині, яка проходить через напрямок швидкості руху електрона і напрямок променя світла (зрозуміло, він перпендикулярний променю світла). Важливою властивістю випромінювання є те, що воно когерентне, тобто різні його частини можуть інтерферувати між собою.

Для спостереження ефекта Вавілова-Черенкова може бути використана установка, зображена на рис. 5.8. Рідина L, налита в посудину С, опромінюється γ -квантами (γ -фотонами) великої енергії (порядку 1 МеВ і більше), γ -кванти вибивають з часток рідини електрони, які приймають на себе велику частину енергії γ -фотонів і рухаються вздовж напрямку їх руху зі швидкістю, яка перевищує фазову швидкість світла у рідині. Електрони збуджують частки рідини, які випускають свічення Вавілова-Черенкова, яке поширюється в напрямках, визначених кутом θ. Це випромінювання відбивається від дзеркала S і потім направляється об’єктивом О на фотопластинку або фотоелектричний приймач.

Випромінювання Вавілова-Черенкова в наш час знайшло виключне широке застосування в ядерній фізиці для вимірювання швидкостей частинок високих енергій.