Излучение Вавилова-Черенкова

В 1934 году П.А. Черенков (1904 – 1990), в последствие академик, а тогда аспирант академика С.И. Вавилова (1891 – 1951), обнаружил особый вид свечения жидкости под действием -лучей радия. Характерные особенности этого излучения: 1) свечение имеет голубоватый цвет и наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей; 2) в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения свечения, что характерно для люминесценции. С.И. Вавилов правильно предположил, что обнаруженное свечение не является люминесценцией, свет излучают быстрые электроны, движущиеся в жидкости. В 1937 году советские физики И.Е. Тамм (1895 – 1971) и И.М. Франк (1908 – 1990) объяснили механизм свечения и создали количественную теорию явления, основанную на уравнениях классической электродинамики. В 1940 году советский физик В.Л. Гинсбург создал квантовую теорию, которая привела к тем же результатам. В 1958 году работа Черенкова, Тамма и Франка была отмечена Нобелевской премией по физике.

Излучение Вавилова-Черенкова это излучение света электрически заряженной частицей, движущейся в среде с групповой скоростью U, превышающей фазовую скорость света в этой среде.

Согласно электромагнитной теории заряженная частица, движущаяся в вакууме с постоянной скоростью, не излучает. Иначе обстоит дело при её движении в веществе. Если такая частица движется с постоянной скоростью в однородной прозрачной среде, то своим полем, она возбуждает атомы и молекулы среды, и последние становятся центрами излучения электромагнитных волн.

В процессе излучения Вавилова-Черенкова энергия и скорость излучающей свободной частицы уменьшается, т.е. частица тормозится. Однако в отличие от обычного тормозного излучения, относительно медленно движущейся заряженной частицы, являющейся следствием изменения её скорости, уменьшение скорости частицы при излучении Вавилова-Черенкова, само является следствием этого излучения. Иными словами, если бы убыль энергии восполнялась, то частица, двигаясь с постоянной скоростью (U > v), испускала бы излучение Вавилова-Черенкова, а тормозного излучения не было бы.

Заряженная частица вызывает кратковременную поляризацию вещества в окрестности тех точек, через которые она проходит при своём движении. Поэтому молекулы среды, лежащие на пути частицы, становятся кратковременно действующими когерентными источниками элементарных электромагнитных волн, которые интерферируют друг с другом.

П ри движении заряженной частицы в изотропной среде со скоростью элементарные волны будут представлять собой сферы, распространяющиеся со скоростью . Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, в результате интерференции элементарные волны гасят друг друга всюду, за исключением общей огибающей. При движении частицы со скоростью U < v общей огибающей нет. Все окружности лежат одна в другой. Поэтому заряд, движущийся равномерно и прямолинейно со скоростью U < v свет не излучает.

Если частица движется быстрее, чем распространяются волны в среде, то соответствующие элементарным волнам сферы пересекаются, и их общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке, совпадающей с мгновенным положением движущейся частицы. Нормали к образующим конуса определяют волновые вектора, т.е. направления распространения света. Угол , который составляет волновой вектор с направлением движения частицы, удовлетворяет следующему соотношению.

В жидкостях и твёрдых телах условие U > v начинает выполняться для электронов при энергии W > 10⁵ эВ, а для протонов – W > 10⁸ эВ.

Разработаны черенковские счётчики для регистрации и исследования частиц с высокой энергией. С их помощью можно не только регистрировать эти частицы, но и определять величину и направление скорости. Эти приборы используются для определения массы элементарных частиц высоких энергий. Именно черенковские счётчики позволили открыть антипротон.