Свечение Черенкова - интересное физическое явление




Свечение Черенкова - интересное физическое явление

Свечение Черенкова связано с интересным физическим явлением, когда скорость заряженных частиц превышает фазовую скорость света в веществе. Снижение последней величины происходит из-за преломления лучей. Этот эффект впервые был открыт при изучении люминесценции жидкостей. В последующем он приобрел большое практическое значение в ядерной физике и астрономии.

Что это такое?

Свечение электронов

Свечение Черенкова представляет собой излучение фотонов, возникающее при движении заряженных частиц с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде.

Это явление имеет универсальный характер, то есть под воздействием облучения, имеющего достаточную энергию, будут «светиться» все типы прозрачных сред, а не только жидкости, как это было выявлено первооткрывателями.


История открытия

Черенков П.А.

Излучение сверхсветовых частиц было открыто в 1934 году. В научной литературе это физическое явление получило название по имени двух советских ученых - свечение Вавилова-Черенкова. Они занимались изучением люминесценции при радиоактивном облучении жидких растворов солей урана.

В ходе опытов были выявлены следующие отличия обнаруженного Черенковым свечения:

  • независимость спектра и интенсивности от типа среды и ее температуры;
  • связь с движением заряженных частиц;
  • поляризация световой волны;
  • наибольшая интенсивность – в синем спектре;
  • пороговый характер (например, излучение не появляется, если энергия рентгеновского луча превышает 30 КэВ).

На основе этих фактов Черенков сделал заключение, что данное явление – это не люминесценция, а излучение фотонов электронами, которые появляются в результате влияния гамма-лучей.


Определенную сложность в проведении экспериментов представляло то, что для регистрации радиоактивного свечения у Черенкова не существовало специальной аппаратуры. Ученому приходилось в течение нескольких часов адаптировать глаза к полной темноте, чтобы заметить очень слабое излучение. Коллегами по науке обнаруженное явление было воспринято скептически. Такое излучение заметили ранее французский физик Малле и Мария Кюри, но детальное изучение его свойств – это заслуга Черенкова.

В 1958 г. трем ученым-основоположникам, которые предложили теоретическое обоснование этого эффекта – Черенкову, Тамму и Франку – была вручена Нобелевская премия.

Объяснение физического явления

Моделирование ядерной реакции

В традиционной интерпретации выделяют несколько факторов, объясняющих, что такое эффект Черенкова:

  • заряженные частицы, передвигаясь в среде, взаимодействуют с ее атомами и молекулами;
  • происходит их поляризация;
  • формируется спонтанное когерентное излучение;
  • в результате сложения свечения отдельных атомов наблюдается эффект Черенкова-Вавилова.

Другими словами, данное явление возникает вследствие взаимодействия среды с заряженными частицами.

Теоретическое обоснование свечения Черенкова было дано позже на основе трех научных подходов:

  • Тамма-Франка;
  • Ферми;
  • квантово-механической физики.

Последняя интерпретация отличается от классической. Согласно этому подходу, данное явление связано с электромагнитным вакуумом, которое изменяется веществом, а не с самой средой.

Когда можно наблюдать свечение?

Свечение Черенкова в чистом виде можно наблюдать лишь в идеальных условиях, когда заряженная частица перемещается с неизменной скоростью в радиаторе бесконечной длины. Во всех остальных случаях это явление сопровождается так называемым переходным излучением, которое вызвано изменением электромагнитных свойств среды по траектории движения электрона.

В непрозрачных средах последний тип свечения преобладает, а интенсивность излучения Черенкова снижается из-за его поглощения. Для регистрации отдельной частицы используют суммарный поток фотонов.

Практическое применение

Свечение Черенкова используется для экспериментальных методов в целях регистрации элементарных частиц и исследования их свойств. При известном направлении света и показателе преломления среды можно определить скорость движения частицы. Полученное излучение преобразуется современным фотоэлектронным умножителем в электрический сигнал, фиксируемый черенковским счетчиком.

Гамма-астрономия

Такие устройства находят широкое применение в ядерной физике. Теоретическая основа явления связана также с волнами Маха в акустике и некоторыми проблемами ускорителей частиц. Дифференциальный тип счетчиков позволяет идентифицировать вид частицы в ускорителях.

Другой областью применения свечения Черенкова является гамма-астрономия. Черенковские счетчики с большими детекторами фиксируют гамма-кванты, попадающие в атмосферу Земли от далеких звезд из космоса. Это позволяет лучше изучить процессы, происходящие во Вселенной.

Интересные факты

Черенковские телескопы

После признания работ, посвященных свечению Черенкова, в экспериментальной и теоретической физике начался активный рост исследований в данной области. С этим явлением связаны следующие интересные факты:

  1. В глубинах Мирового океана также происходит распад радиоактивных изотопов. Существует гипотеза, что большие глаза у глубоководных животных нужны для того, чтобы видеть при слабом освещении. Даже в больших впадинах океанского дна вода немного светится из-за явления Черенкова-Вавилова, то есть представление о кромешной тьме является ошибочным.
  2. Описанный эффект Черенкова-Вавилова используется в байкальском подводном нейтринном телескопе. Фотоумножители опускают в озеро на большую глубину на тросах. Назначение установки – исследование спектров нейтрино и мюонов, содержащихся в космическом излучении.
  3. Существует также интересный проект использования в качестве черенковского радиатора ледяной поверхности Антарктиды.
  4. Разработан и постепенно реализуется международный проект «Массив черенковских телескопов», главным предназначением которого является исследование космического пространства в спектре гамма-излучения. Будет построено 118 тарелочных телескопов по всему миру.
Свечение Черенкова в ядерном реакторе

Интенсивное свечение Черенкова наблюдают также при выгрузке отработанного ядерного топлива электростанций в бассейн выдержки, после чего кассеты отправляют на утилизацию.

Материалы по теме: