Вавилова-Черенкова излучение

ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА ИЗЛУЧЕНИЕ (Вавилова-Черенкова эффект, Черенкова-Вавилова излучение), излучение света электрически заряженной частицей при её движении в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде. Обнаружено в 1934 году П. А. Черенковым при исследовании люминесценции растворов как слабое голубое свечение жидкостей под действием гамма-излучения. Эксперименты, осуществлённые Черенковым по инициативе и при участии С. И. Вавилова, выявили характерные особенности обнаруженного явления: свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причём яркость его слабо зависит от химического состава жидкости, оно направлено под острым углом к первичному излучению и обладает характерной поляризацией, при этом не наблюдаются процессы тушения, присущие люминесценции. На основании результатов исследований Вавилов сделал основополагающее утверждение: обнаружен новый тип излучения, которое испускают движущиеся в жидкости быстрые электроны; такие электроны генерируются в веществе под действием гамма-излучения в результате Комптона эффекта. (Свечение жидкостей под действием гамма-излучения наблюдалось ещё в 1920-х годах, однако не были установлены его особенности и не была доказана новизна явления.)

Количественная и качественная теория Вавилова-Черенкова излучения, основанная на уравнениях классической электродинамики, предложена в 1937 году И. Е. Таммом и И. М. Франком, квантовую теорию разработал в 1940 году В. Л. Гинзбург. Условия возникновения Вавилова-Черенкова излучения и его направленность могут быть пояснены с помощью Гюйгенса - Френеля принципа. Каждая точка траектории заряженной частицы (например, точки А, В, С, D на рисунке 1 и 2), согласно этому принципу, является источником волны, возникающей в момент прохождения через неё заряженной частицы. В оптически изотропной среде такие волны будут сферическими, так как они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью u=c/n, где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления среды. Если частица, движущаяся со скоростью v, находится в момент наблюдения в точке Е, то за t секунд до этого она находилась в точке А, т. е. на расстоянии от Е, равном vt. Следовательно, волна, испущенная из точки А, к моменту наблюдения будет представлять собой сферу радиуса R = ut (окружность 1 на рисунке 1). Волны, испущенные из точек В, С, D, в момент времени t будут представлены окружностями 2, 3, 4. По принципу Гюйгенса такие парциальные волны в результате интерференции гасят друг друга всюду, за исключением их огибающей, которой соответствует волновая поверхность, распространяющаяся в среде.

Если скорость частицы v меньше скорости света и в данной среде, то парциальные волны общей огибающей не имеют (рис. 1), т.к. они с течением времени всё больше обгоняют частицу. В этом случае электрический заряд, двигаясь равномерно и прямолинейно, электромагнитное излучение не испускает.

В случае когда

(где β = v/с), т. е. когда частица движется быстрее, чем распространяются световые волны в среде, соответствующие им сферы пересекаются (рис. 2) и их общая огибающая (волновая поверхность) образует конус с вершиной в точке Е, где в данный момент находится частица. Нормаль к образующим конуса определяет волновые векторы, т. е. направление распространения испускаемого частицей излучения. Угол между волновым вектором и направлением движения частицы удовлетворяет соотношению:

(Для оптически анизотропных сред излучение возникает под двумя различными углами к направлению движения частицы, соответствующими обыкновенному и необыкновенному лучам.) В оптически изотропной среде частица с зарядом е, прошедшая расстояние в 1 см со скоростью v>u, излучает энергию

(где ω = 2nс/λ - циклическая частота излучения, λ - его длина волны в вакууме). Подынтегральное выражение описывает распределение энергии в спектре Вавилова-Черенкова излучения, а область интегрирования ограничена условием (1).

Вавилова-Черенкова излучение возникает при движении любой заряженной частицы в среде, если для неё выполняется условие (1). Для электронов это условие выполняется уже при энергиях порядка 10⁵ эВ (такими энергиями обладают многие электроны радиоактивных процессов). Более тяжёлые частицы должны иметь более высокую энергию, например протон - энергию порядка 10⁸ эВ.

На основе Вавилова-Черенкова излучения разработаны экспериментальные методы для регистрации частиц и изучения их природы (смотри Черенковский счётчик). Измерение угла θ в среде с известным n позволяет установить по формуле (1) или (2) скорость частицы. Определив скорость и энергию частицы, можно по отклонению её траектории в магнитном поле рассчитать массу частицы (так была установлена масса антипротона при его открытии). Для очень быстрых частиц условие (1) начинает выполняться уже в сжатых газах (газовые черенковские счётчики).

Вавилова-Черенкова излучение, возникающее при движении частиц космических лучей в атмосфере, используется для их изучения.

Вавилова-Черенкова излучение в чистом виде может наблюдаться только в том случае, когда частица движется с постоянной скоростью в неограниченной однородной среде. При пересечении границ сред возникает переходное излучение. При изменении скорости частицы возникает тормозное излучение. В 1940 году Э. Ферми внёс в теорию Вавилова-Черенкова излучения существенные уточнения, приняв во внимание способность реальной среды поглощать свет, по крайней мере, в некоторых областях спектра.

Вавилова-Черенкова излучение - пример оптики «сверхсветовых» скоростей. Оно экспериментально изучено в различных средах, теоретически рассмотрено излучение электрических и магнитных диполей и мультиполей. Ожидаемые свойства излучения движущегося магнитного заряда использовались для поисков магнитного монополя. Рассмотрено излучение частицы в канале среды (например, в волноводе). При Вавилова-Черенкова излучении 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 Вавилова-Черенкова излучения, тесно связаны с другими проблемами современной физики - волнами Маха в акустике, вопросами устойчивости движения частиц в плазме и генерации в ней волн, генерацией и усилением электромагнитных волн и т. д.

За открытие и создание теории Вавилова-Черенкова излучения в 1958 году И. Е. Тамм, И. М. Франк и П. А. Черенков удостоены Нобелевской премии. Вавилова-Черенкова излучение в зарубежной литературе называют черенковским излучением.

Лит.: Черенков П. А. Видимое свечение чистых жидкостей под действием γ-радиации // Доклады Академии Наук СССР. 1934. Т. 2. № 8; Вавилов С. И. О возможных причинах синего γ-свечения жидкостей // Там же; Тамм И. Е., Франк И. М. Когерентное излучение быстрого электрона в среде // Там же. 1937. Т. 14. № 3; Черенков П. А., Тамм И. Е., Франк И. М. Нобелевские лекции. М., 1960.