Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЧЕ)"

Черенкова-Вавилова излучение

Черенко'ва—Вави'лова излуче'ние, 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 ~ 10⁵эв (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.

Рис. 1. Движение заряженной частицы в среде со скоростью n < u. Сферы 1, 2, 3, 4 – положение парциальных волн, испущенных частицей из точек A, B, C, D, соответственно.

Рис. 2. Движение заряженной частицы в среде со скоростью n > u. Угол q указывает направление возникающего излучения.

Черенкование

Черенкова'ние, способ размножения растений отделяемыми от них частями (черенками ). Применяется в плодоводстве, декоративном садоводстве, лесоводстве, при выращивании некоторых технических, лекарственных и др. растений. Чаще всего практикуется размножение черенками корневыми и стеблевыми (одревесневшими без листьев и зелёными с листьями). Корневыми черенками размножают малину, ежевику, молодые сеянцы яблони, серебристый тополь и др. Стеблевыми одревесневшими черенками размножают смородину, виноград, айву, инжир и др. Зелёные черенки с 2—3 листьями применяют для размножения смородины, сливы, вишни, винограда, некоторых сортов крыжовника и др. Листовыми черенками размножают бегонию, фиалку и др. См. Вегетативное размножение .

Черенковский счётчик

Черенко'вский счётчик, прибор для регистрации заряженных частиц и g-квантов, в котором используется Черенкова—Вавилова излучение . Если заряженная частица движется в среде со скоростью u, превышающей фазовую скорость света для данной среды (c/n , n – показатель преломления среды, с — скорость света в вакууме), то частица испускает черенковское излучение. Последнее происходит в определённом направлении, причём угол J между направлением излучения и траекторией частицы связан с u и n соотношением:

  cos J = c/ un= 1/ bn (b = u/c ). (1)

  Интенсивность N черенковского излучения на 1 см пути в интервале длин волн от l₁ до l₂ выражается соотношением:

  . (2)

  Здесь Z – заряд частицы (в единицах заряда электрона).

  В отличие от сцинтилляционного счётчика , где регистрируются частицы с любой скоростью, а излучение изотропно и запаздывает во времени, в Ч. с. свет излучается только частицами, скорости которых u ³ c/n (b ³ 1/n ), причём излучение происходит одновременно с их прохождением и под углом J к траектории частицы. С ростом скорости частицы (надпороговой) растут угол J и интенсивность излучения. Для предельных скоростей, близких к скорости света [(1¾b) << 1], угол J достигнет предельного значения:

  J_макс = arccos (1/n ). (3)

  Количество света, излучаемое в Ч. с., как правило, составляет неск. % от светового сигнала сцинтилляционного счётчика.

  Основные элементы Ч. с.: радиатор (вещество, в котором u > с/n ), оптическая система, фокусирующая свет, и один или несколько фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих световой сигнал в электрический (см. рис. ). Радиаторы изготавливают из твёрдых, жидких и газообразных веществ. Они должны быть прозрачны к черенковскому излучению и иметь низкий уровень сцинтилляции, создающих фоновые сигналы. Стандартные материалы радиаторов: органическое стекло (n = 1,5), свинцовое стекло (n = 1,5), вода (n = 1,33).

  Ч. с. получили широкое применение в экспериментах на ускорителях заряженных частиц , т.к. они позволяют выделять частицы, скорость которых заключена в определённом интервале. С ростом энергии ускорителей и, следовательно, с ростом энергии частиц особенно широкое применение получили газовые Ч. с., обладающие способностью выделять частицы ультрарелятивистских энергий, для которых (1– b) << 1. Угол излучения J в газе очень мал, мала и интенсивность излучения на единицу пути. Чтобы получить вспышку света, достаточную для регистрации, приходится увеличивать длину газовых Ч. с. до 10 м и более. В газовых Ч. с. можно плавно менять показатель преломления, изменяя давление рабочего газа.

  Ч. с. существуют 3 типов: пороговые, дифференциальные и счётчики полного поглощения. Основными характеристиками первых 2 типов Ч. с. являются эффективность регистрации и разрешающая способность по скорости частиц, т. е. способность счётчика разделять две частицы, двигающиеся с близкими скоростями. Пороговый Ч. с. должен регистрировать все частицы со скоростями, большими некоторой (пороговой), поэтому оптическая система такого Ч. с. (комбинация линз и зеркал) должна собрать, по возможности, весь излученный свет на катод ФЭУ.

  Дифференциальные Ч. с. регистрируют частицы, движущиеся в некотором интервале скоростей от u₁ до u₂ . В традиционных дифференциальных Ч. с. это достигается выделением оптической системой света, излучаемого в интервале соответствующих углов от J₁ до J₂ . Линза или сферическое зеркало, помещенное на пути черенкового света, фокусирует свет, излученный под углом J, в кольцо с радиусом

  R = f J, (4)

  где f ¾ фокусное расстояние линзы или зеркала. Если в фокусе системы поместить щелевую кольцевую диафрагму, а за диафрагмой один или несколько ФЭУ, то в такой системе свет будет зарегистрирован только для частиц, излучающих свет в определённом интервале углов. В дифференциальных Ч. с. с прецизионной оптической системой можно выделить частицы, скорость которых отличается всего на 10^¾6 от скорости др. частиц. Такие Ч. с. требуют особого контроля давления газа и формирования параллельного пучка частиц.

  Ч. с. полного поглощения предназначены для регистрации и спектрометрии электронов и g-квантов. В отличие от рассмотренных Ч. с., где частица теряла в радиаторе ничтожно малую долю энергии, Ч. с. полного поглощения содержит блок радиаторов большой толщины, в котором электрон или g-квант образует электронно-фотонную лавину и теряет всю или большую часть своей энергии. Как правило, радиаторы в этом случае изготавливают из стекла с большим содержанием свинца. В радиаторе из такого стекла, например толщиной 40 см , может практически полностью тормозиться электрон с энергией до 10 Гэв. Количество света, излучаемого в Ч. с. полного поглощения, пропорционально энергии первичного электрона или g-кванта. Разрешающая способность DE Ч. с. полного поглощения (по энергии) зависит от энергии и для самых чувствительных ФЭУ может быть выражена формулой:

   %

  где E — энергия электрона в Гэв.

  Лит.: 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. 1¾2, М., 1968.

  В. С. Кафтанов.

Схема газового порогового черенковского счётчика на 70 Гэв ускорителя Института физики высоких энергий (СССР). Черенковский свет собирается на катод ФЭУ с помощью оптической системы, состоящей из плоского зеркала и кварцевой линзы.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ЧЕ)"