Эффект Вавилова — Черенкова: различия между версиями
[отпатрулированная версия] | [непроверенная версия] |
Д.Ильин (обсуждение | вклад) м оформление |
Спасено источников — 3, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0.9.5 |
||
(не показано 30 промежуточных версий 25 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
[[Файл:Advanced Test Reactor.jpg|thumb|right|250px|Излучение Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости |
[[Файл:Advanced Test Reactor.jpg|thumb|right|250px|Излучение Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости {{не переведено|Исследовательский реактор ATR|исследовательского реактора ATR|en|Advanced Test Reactor}} |
||
⚫ | '''Эффе́кт Вави́лова — Черенко́ва''', ''' |
||
[[Национальная лаборатория Айдахо|Национальной лаборатории Айдахо]].]] |
|||
⚫ | |||
⚫ | '''Эффе́кт Вави́лова — Черенко́ва''', '''эффе́кт Черенко́ва''', '''излуче́ние Вави́лова — Черенко́ва''', '''черенко́вское излуче́ние''' — свечение, вызываемое в прозрачной среде [[Заряженная частица|заряженной частицей]], движущейся со скоростью, превышающей [[Фазовая скорость|фазовую скорость]] распространения [[свет]]а в этой среде<ref>{{книга |часть =«Черенкова – Вавилова излучение». ''Франк И. М.''|ссылка часть = http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4548.html |заглавие =Физическая энциклопедия |ответственный =гл. ред. [[Прохоров, Александр Михайлович|Прохоров А. М]]|место =М.|издательство =[[Большая Российская энциклопедия (издательство)|Большая Российская энциклопедия]] |год =1998 |том =5|страницы =448−450|страниц =760|isbn =5-85270-101-7}}</ref>. |
||
⚫ | |||
⚫ | Детекторы, регистрирующие черенковское излучение, широко |
||
⚫ | Детекторы, регистрирующие черенковское излучение, широко используются в [[Физика высоких энергий|физике высоких энергий]] для регистрации [[Релятивистская частица|релятивистских частиц]] и определения их скоростей и направлений движения. Если известна масса порождающих черенковское излучение частиц, то сразу определяется их кинетическая энергия. |
||
== История открытия == |
== История открытия == |
||
В [[1934 год]]у [[Черенков, Павел Алексеевич| |
В [[1934 год]]у [[Черенков, Павел Алексеевич|П. А. Черенков]], выполняя в лаборатории [[Вавилов, Сергей Иванович|С. И. Вавилова]] исследования [[Люминесценция|люминесценции]] жидкостей под воздействием [[гамма-излучение|гамма-излучения]], обнаружил слабое голубое излучение неизвестной природы<ref>{{статья |автор=П. А. Черенков |заглавие=Видимое свечение чистых жидкостей под действием γ-радиации |ссылка=https://ufn.ru/ru/articles/1967/10/n/ |язык= |издание=ДАН СССР |тип= |год=1934 |месяц= |число= |том=2 |номер=8 |страницы=451—457 |doi= |issn= |archivedate=2024-06-03 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20240603183509/https://ufn.ru/ru/articles/1967/10/n/ }}</ref>. Позже было установлено, что это свечение вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими [[Фазовая скорость|фазовую скорость]] света в среде. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением. |
||
Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение [[Поляризация волн|поляризовано]] с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от [[люминесценция|люминесценции]] не наблюдается ни температурного, ни примесного [[Люминесценция#Тушение люминесценции|тушения]]. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление |
Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение [[Поляризация волн|поляризовано]] с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от [[люминесценция|люминесценции]] не наблюдается ни температурного, ни примесного [[Люминесценция#Тушение люминесценции|тушения]]. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны. |
||
Первая попытка объяснения излучения, оказавшаяся неудачной, была предпринята С. И. Вавиловым<ref>{{статья |автор=С. И. Вавилов |заглавие=О возможных причинах синего γ-свечения жидкостей |ссылка=https://ufn.ru/ru/articles/1967/10/m/ |язык= |издание=ДАН СССР |тип= |год=1934 |месяц= |число= |том=2 |номер=8 |страницы=457—461 |doi= |issn= |archivedate=2024-06-03 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20240603184018/https://ufn.ru/ru/articles/1967/10/m/ }}</ref>. Правильное теоретическое объяснение явления было дано [[Тамм, Игорь Евгеньевич|И. Е. Таммом]] и [[Франк, Илья Михайлович|И. М. Франком]] в [[1937 год]]у<ref>{{статья |автор=И. Е. Тамм, И. М. Франк |заглавие=Когерентное излучение быстрого электрона в среде |ссылка=https://ufn.ru/ru/articles/1967/10/o/ |язык= |издание=ДАН СССР |тип= |год=1937 |месяц= |число= |том=14 |номер=3 |страницы=107—112 |doi= |issn= |archivedate=2024-06-03 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20240603184425/https://ufn.ru/ru/articles/1967/10/o/ }}</ref>. |
|||
Теоретическое объяснение явления было дано [[Тамм, Игорь Евгеньевич|И. Таммом]] и [[Франк, Илья Михайлович|И. Франком]] в [[1937 год]]у. |
|||
В [[1958 год]]у Черенков, [[Тамм, Игорь Евгеньевич|Тамм]] и [[Франк, Илья Михайлович|Франк]] были награждены [[Нобелевская премия по физике|Нобелевской премией |
В [[1958 год]]у Черенков, [[Тамм, Игорь Евгеньевич|Тамм]] и [[Франк, Илья Михайлович|Франк]] были награждены [[Нобелевская премия по физике|Нобелевской премией по физике]] «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». [[Сигбан, Карл Манне Георг|Манне Сигбан]] из [[Шведская королевская академия наук|Шведской королевской академии наук]] в своей речи на церемонии вручения премии отметил, что ''«Открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».'' |
||
== Механизм возникновения и направление распространения излучения == |
== Механизм возникновения и направление распространения излучения == |
||
Строка 19: | Строка 21: | ||
[[Теория относительности]] гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы с высокими энергиями, не может двигаться со скоростью, превышающей [[скорость света]] в вакууме. |
[[Теория относительности]] гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы с высокими энергиями, не может двигаться со скоростью, превышающей [[скорость света]] в вакууме. |
||
Но в оптически прозрачных средах |
Но в оптически прозрачных средах скорость быстрых заряженных частиц может быть больше фазовой скорости света в этой среде. Действительно, фазовая скорость света в среде <math>c_m</math> равна скорости света в вакууме <math>c</math>, делённой на [[показатель преломления]] среды <math>n</math>: <math>c_m = c/n</math>. При этом вода, например, имеет показатель преломления 1,33, а показатели преломления различных марок [[Оптическое стекло|оптических стёкол]] лежат в пределах от 1,43 до 2,1. Соответственно, фазовая скорость света в таких средах составляет 50—75 % от скорости света в вакууме. Поэтому оказывается, что релятивистские частицы, скорость которых близка к скорости света в вакууме, движутся в таких средах со скоростью, превосходящей фазовую скорость света. |
||
Возникновение излучения Черенкова аналогично возникновению [[Ударная волна|ударной волны]] в виде [[Конус Маха|конуса Маха]] от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например, ударная конусообразная волна в воздухе от [[Сверхзвуковой самолёт|сверхзвукового самолёта]] или пули. |
Возникновение излучения Черенкова аналогично возникновению [[Ударная волна|ударной волны]] в виде [[Конус Маха|конуса Маха]] от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например, ударная конусообразная волна в воздухе от [[Сверхзвуковой самолёт|сверхзвукового самолёта]] или пули. |
||
Пояснить это явление можно по аналогии с [[Принцип Гюйгенса — Френеля|волнами Гюйгенса]], из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причём каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица движется быстрее скорости распространения света в среде, то она обгоняет световые волны. Совокупность касательных прямых к сферическим волновым фронтам, проведённых из точки проходящей через частицу |
Пояснить это явление можно по аналогии с [[Принцип Гюйгенса — Френеля|волнами Гюйгенса]], из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причём каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица движется быстрее скорости распространения света в среде, то она обгоняет световые волны. Совокупность касательных прямых к сферическим волновым фронтам, проведённых из точки, проходящей через частицу, образует круговой конус — [[волновой фронт]] излучения Черенкова. |
||
Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде: |
Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде: |
||
: |
:<math>\sin \phi = \frac{c}{n \cdot v_p},</math> |
||
: где: <math>\phi</math> — половина угла при вершине конуса; |
: где: <math>\phi</math> — половина угла при вершине конуса; |
||
Строка 37: | Строка 39: | ||
== Интересные следствия == |
== Интересные следствия == |
||
* Распространённое представление о том, что на больших глубинах в [[океан]]е царит полный мрак, так как свет с поверхности туда не доходит, является ошибочным. Как следствие распада радиоактивных изотопов в океанской воде, в частности, [[Калий-40|калия-40]], даже на больших глубинах вода слабо светится из-за эффекта Вавилова — Черенкова<ref>[http://adsabs.harvard.edu/full/1985ICRC....8...57B Измерение фонового свечения на больших глубинах в океане]{{ref-en}}</ref>. Существуют гипотезы, что большие глаза нужны глубоководным созданиям затем, чтобы видеть при столь слабом освещении. |
* Распространённое представление о том, что на больших глубинах в [[океан]]е царит полный мрак, так как свет с поверхности туда не доходит, является ошибочным. Как следствие распада радиоактивных изотопов в океанской воде, в частности, [[Калий-40|калия-40]], даже на больших глубинах вода слабо светится из-за эффекта Вавилова — Черенкова<ref>[http://adsabs.harvard.edu/full/1985ICRC....8...57B Измерение фонового свечения на больших глубинах в океане] {{Wayback|url=http://adsabs.harvard.edu/full/1985ICRC....8...57B |date=20190216140443 }}{{ref-en}}</ref>. Существуют гипотезы, что большие глаза нужны глубоководным созданиям затем, чтобы видеть при столь слабом освещении. |
||
* На образование |
* На образование излучения, испускаемого частицей, затрачивается её [[кинетическая энергия]], соответственно, в процессе излучения скорость частицы уменьшается. |
||
== См. также == |
== См. также == |
||
Строка 44: | Строка 46: | ||
* [[Конус Маха]] |
* [[Конус Маха]] |
||
* [[Переходное излучение]] |
* [[Переходное излучение]] |
||
* [[Эффект Аскарьяна]] |
|||
== Примечания == |
== Примечания == |
||
{{примечания}} |
{{примечания}} |
||
== Литература == |
|||
{{rq|wikify|refless|sources|topic=physics}} |
|||
* {{публикация|статья|автор=[[Вавилов, Сергей Иванович|Вавилов С. И.]]|заглавие=Новый вид свечения|издание=Правда|тип=газета|год=1945|номер=51 (9822)|страницы=2|число=1|месяц=3}} |
|||
{{вс}} |
|||
{{Источники искусственного света}} |
{{Источники искусственного света}} |
||
Строка 55: | Строка 60: | ||
[[Категория:Электромагнитные явления]] |
[[Категория:Электромагнитные явления]] |
||
[[Категория:Электромагнитное излучение]] |
[[Категория:Электромагнитное излучение]] |
||
[[Категория:Экспериментальная физика элементарных частиц]] |
Текущая версия от 11:13, 29 ноября 2024
Эффе́кт Вави́лова — Черенко́ва, эффе́кт Черенко́ва, излуче́ние Вави́лова — Черенко́ва, черенко́вское излуче́ние — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде[1].
В 1958 году Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой: «За открытие и истолкование эффекта Черенкова».
Детекторы, регистрирующие черенковское излучение, широко используются в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей и направлений движения. Если известна масса порождающих черенковское излучение частиц, то сразу определяется их кинетическая энергия.
История открытия
[править | править код]В 1934 году П. А. Черенков, выполняя в лаборатории С. И. Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение неизвестной природы[2]. Позже было установлено, что это свечение вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими фазовую скорость света в среде. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением.
Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны.
Первая попытка объяснения излучения, оказавшаяся неудачной, была предпринята С. И. Вавиловым[3]. Правильное теоретическое объяснение явления было дано И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 году[4].
В 1958 году Черенков, Тамм и Франк были награждены Нобелевской премией по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения премии отметил, что «Открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».
Механизм возникновения и направление распространения излучения
[править | править код]Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы с высокими энергиями, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.
Но в оптически прозрачных средах скорость быстрых заряженных частиц может быть больше фазовой скорости света в этой среде. Действительно, фазовая скорость света в среде равна скорости света в вакууме , делённой на показатель преломления среды : . При этом вода, например, имеет показатель преломления 1,33, а показатели преломления различных марок оптических стёкол лежат в пределах от 1,43 до 2,1. Соответственно, фазовая скорость света в таких средах составляет 50—75 % от скорости света в вакууме. Поэтому оказывается, что релятивистские частицы, скорость которых близка к скорости света в вакууме, движутся в таких средах со скоростью, превосходящей фазовую скорость света.
Возникновение излучения Черенкова аналогично возникновению ударной волны в виде конуса Маха от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например, ударная конусообразная волна в воздухе от сверхзвукового самолёта или пули.
Пояснить это явление можно по аналогии с волнами Гюйгенса, из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причём каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица движется быстрее скорости распространения света в среде, то она обгоняет световые волны. Совокупность касательных прямых к сферическим волновым фронтам, проведённых из точки, проходящей через частицу, образует круговой конус — волновой фронт излучения Черенкова.
Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде:
- где: — половина угла при вершине конуса;
- — скорость света в вакууме;
- — скорость частицы.
- — показатель преломления.
Таким образом, угол раскрытия конуса излучения Черенкова позволяет определить скорость частицы. Угол раскрытия измеряют с помощью какой-либо оптической системы, на этом принципе работают черенковские детекторы релятивистских частиц.
Интересные следствия
[править | править код]- Распространённое представление о том, что на больших глубинах в океане царит полный мрак, так как свет с поверхности туда не доходит, является ошибочным. Как следствие распада радиоактивных изотопов в океанской воде, в частности, калия-40, даже на больших глубинах вода слабо светится из-за эффекта Вавилова — Черенкова[5]. Существуют гипотезы, что большие глаза нужны глубоководным созданиям затем, чтобы видеть при столь слабом освещении.
- На образование излучения, испускаемого частицей, затрачивается её кинетическая энергия, соответственно, в процессе излучения скорость частицы уменьшается.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ «Черенкова – Вавилова излучение». Франк И. М. // Физическая энциклопедия / гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 448−450. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
- ↑ П. А. Черенков. Видимое свечение чистых жидкостей под действием γ-радиации // ДАН СССР. — 1934. — Т. 2, № 8. — С. 451—457. Архивировано 3 июня 2024 года.
- ↑ С. И. Вавилов. О возможных причинах синего γ-свечения жидкостей // ДАН СССР. — 1934. — Т. 2, № 8. — С. 457—461. Архивировано 3 июня 2024 года.
- ↑ И. Е. Тамм, И. М. Франк. Когерентное излучение быстрого электрона в среде // ДАН СССР. — 1937. — Т. 14, № 3. — С. 107—112. Архивировано 3 июня 2024 года.
- ↑ Измерение фонового свечения на больших глубинах в океане Архивная копия от 16 февраля 2019 на Wayback Machine (англ.)
Литература
[править | править код]- Вавилов С. И. Новый вид свечения // Правда : газета. — 1945. — № 51 (9822) (1 марта). — С. 2.