ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА ЭФФЕКТ

Изучая свечение раствора солей урана под действием у"лУче** радия, советский физик П. А. Черенков обратил внимание на то, что светится и сама вода, в которой солей урана нет. Оказалось, что при пропускании у_лучей (см. Гамма-излучение) через чистые жидкости все они начинают светиться. С. И. Вавилов, под руководством которого работал П. А. Черенков, высказал гипотезу, что свечение связано с движением электронов, выбиваемых Y-квантами радия из атомов. Действительно, свечение сильно зависело от направления магнитного поля в жидкости (это наводило на мысль, что его причина — движение электронов).

Но почему движущиеся в жидкости электроны испускают свет? Правильный ответ на этот вопрос в 1937 г. дали советские физики И. Е. Тамм и И. М. Франк.

Электрон, двигаясь в веществе, взаимодействует с окружающими его атомами. Под действием его электрического поля атомные электроны и ядра смещаются в противоположные стороны — среда поляризуется. Поляризуясь и возвращаясь затем в исходное состояние, атомы среды, расположенные вдоль траектории электрона, испускают электромагнитные световые волны. Если скорость электрона v меньше скорости распространения света в среде с/n (n — показатель преломления), то электромагнитное поле будет обгонять электрон, а вещество успеет поляризоваться в пространстве впереди электрона. Поляризация среды перед электроном и за ним противоположна по направлению, и излучения противоположно поляризованных атомов, «складываясь», «гасят» друг друга. Когда v>c/n, атомы, до которых еще не долетел электрон, не успевают поляризоваться, и возникает излучение, направленное вдоль узкого конического слоя с вершиной, совпадающей с движущимся электроном, и углом при вершине Θ = arccos c/(nv). Возникновение светового «конуса» и условие излучения v>c/n можно получить из общих принципов распространения волн.

Пусть электрон движется по оси OE (см. рис. 1) очень узкого пустого канала в однородном прозрачном веществе с показателем преломления n (пустой канал нужен, чтобы в теоретическом рассмотрении не учитывать столкновений электрона с атомами). Любая точка на линии OE, последовательно занимаемая электроном, будет центром испускания света. Волны, исходящие из последовательных точек O, D, E, интерферируют друг с другом и усиливаются, если разность фаз между ними равна нулю (см. Интерференция). Это условие выполняется для направления, составляющего угол Θ с траекторией движения электрона. Угол в определяется соотношением: cosΘ = c/(nv).

Действительно, рассмотрим две волны, испущенные в направлении под углом Θ к скорости электрона из двух точек траектории — точки O и точки D, разделенных расстоянием х. В точку В лежащую на прямой BE, перпендикулярной OB, первая волна придет через время OB/(c/n). В точку F, лежащую на прямой BE, волна, испущенная из точки D, придет в момент времени x/v+DF/(c/n) после испускания волны из точки O. Эти две волны будут в фазе, т. е. прямая BE будет волновым фронтом, если эти времена равны: OB/(c/n)=x/v+DF/(c/n). Так как OB=OE cosΘ, а DF=(OE-x) cosΘ, условие равенства времен дает cosΘ≠c/nv. Во всех направлениях, для которых cos cosΘ≠c/nv, свет будет гаситься из-за интерференции волн, испущенных из участков траектории, разделенных расстоянием Δ. Величина Δ определяется очевидным уравнением: ΔcosΘ/(c/n), где Т—период световых колебаний. Это уравнение всегда имеет решение, cos cosΘ≠c/nv.

Если v<с/n, то направления, в котором излученные волны, интерферируя, усиливаются, не существует, cosΘ не может быть больше 1. Излучение наблюдается только, если v > с/n.

На опыте электроны летят в конечном телесном угле, с некоторым разбросом по скоростям, и в результате излучение распространяется в коническом слое около основного направления, определяемого углом Θ = arccos c/vn.

В нашем рассмотрении мы пренебрегли замедлением электрона. Это вполне допустимо, так как потери на излучение Вавилова — Че-ренкова малы и в первом приближении можно считать, что теряемая электроном энергия не сказывается на его скорости и он движется равномерно. В этом принципиальное отличие и необычность излучения Вавилова — Черенко-ва.Обычно заряды излучают, испытывая значительные ускорения.

Электрон, обгоняющий свой свет, сходен с самолетом, летящим со скоростью, большей скорости звука. В этом случае перед самолетом тоже распространяется коническая ударная звуковая волна, (см. рис. 2).

Потери энергии на излучение у быстрых заряженных частиц почти в тысячу раз меньше потерь на ионизацию. Казалось бы, что столь незначительную энергию трудно использовать в практических приложениях. Однако по излучению Вавилова — Черенкова с помощью специальных детекторов удается измерить скорость, энергию, заряд быстрых частиц.

В 1958 г. за открытие и толкование этого эффекта советским физикам П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму была присуждена Нобелевская премия по физике.