Черенкова-Вавилова излучение

Черенкова-Вавилова излучение, Черенкова-Вавилова эффект, излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при её движении 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 химического состава, излучение имеет поляризацию с преимущественной ориентацией электрического 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) французским учёным М. 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. Е. Тамма и И. М. Франка (1937), содержавшей и количественную теорию, основанную на уравнениях классической 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 (например, А, В, С, D, рис. 1 и 2) следует считать источником волны, возникающей в момент прохождения через неё заряда. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, т.к. они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью u = с/n (здесь с - скорость света в вакууме, а п - показатель преломления света данной среды). Допустим, что частица, двигаясь со скоростью u, в момент наблюдения находилась в точке Е. За t секунд до этого она проходила через точку А (расстояние до неё от Е равно ut). Следовательно, волна, испущенная из А, к моменту наблюдения представится сферой радиуса R = ut (на рис. 1 и 2 ей соответствует окружность 1). 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 u меньше скорости света u 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 электрический заряд при равномерном и прямолинейном движении со скоростью, меньшей скорости света в среде, не должен излучать свет. Однако положение иное, если
u> u = c/n, или bn > 1 (1)
(где b = u/c), 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). Угол, который составляет волновой вектор с направлением движения частицы (см. рис. 2), удовлетворяет соотношению:
cos q = u/u = c/nu = 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 q к направлению распространения частицы согласно соотношению (2). Условие (1) для оптически анизотропных сред формулируется несколько иначе. Во всех случаях основные формулы теории хорошо согласуются с опытом.
Теория показала, что в оптически изотропной среде частица с зарядом е, прошедшая расстояние в 1 см со скоростью u > u, излучает энергию:
?(3)
w = 2 nc/l - циклическая частота света, l - 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 любой заряженной 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 многие электроны радиоактивных процессов). Более тяжёлые частицы должны обладать большей энергией, например протон, масса которого в ~2000 раз больше электронной, для достижения необходимой скорости должен обладать энергией ~ 10⁸ эв (такие протоны можно получить только в современных ускорителях).
На основе Ч. - В. и. разработаны экспериментальные методы, которые широко применяются в ядерной физике как для регистрации частиц, так и для изучения их природы (см. Черенковский счётчик).Измерение q в среде (радиаторе) с известным п 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, например, 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 космических 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, например, 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) (например, 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 некоторых 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 значение. 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 (например, 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 ее скорость превышает фазовую скорость света.
Теоретические представления, лежащие в основе Ч. -В. и., тесно связаны с др. явлениями, имеющими значение в современной физике (волны Маха в акустике, вопросы устойчивости движения частиц в плазме и генерации в ней волн, некоторые проблемы теории ускорителей частиц, а также генерация и усиление электромагнитных волн).
Лит.: Черенков П. А., Видимое свечение чистых жидкостей под действием g-радиации, "Докл. АН СССР", 1934, т. 2, ? 8: Вавилов С. И., О возможных причинах синего l-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; Джелли Дж., Черенковское излучение и его применения, пер. с англ., М., 1960; Зрелов В. П., Излучение Вавилова - Черенкова и его применение в физике высоких энергий, ч. 1-2, М., 1968.
? И. М. Франк.