Эффект Вавилова — Черенкова

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. 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.

Теоретическое объяснение явления было дано И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 году.

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».

Теория относительности содержит утверждение: 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 ${\displaystyle c_{m}}$ равна скорости света в вакууме ${\displaystyle c}$, делённой на показатель преломления среды ${\displaystyle n}$: ${\displaystyle c_{m}=c/n}$. 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:

${\displaystyle \sin \phi ={\frac {c}{n\cdot v_{p}}},}$

где ${\displaystyle \phi }$ — половина угла при вершине конуса; ${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме; ${\displaystyle v_{p}}$ — скорость частицы. ${\displaystyle n}$ — 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.

• 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.