Ефект Вавілова-Черенкова
Великим
відкриттям у фізиці стало відкриття
свічення, яке спостерігається у речовині,
в якій рухаються заряджені частки зі
швидкістю, яка більша фазової швидкості
світла у даному середовищі. Фазовою
швидкістю
світла в середовищі називають відношення
довжини хвилі даного випромінювання
до його періоду коливання, тобто
,
де
– фазова швидкість світла в середовищі;
– довжина хвилі;
– період світлових коливань.
Величина її може бути також виражена відношенням:
,
де с – швидкість світла у вакуумі; n – абсолютний показник заломлення середовища.
Тобто,
якщо швидкість руху заряджених часток
у середовищі
,
то середовище починає світитися
характерним свіченням, яке називають
випромінюванням
Вавілова–Черенкова.
Відкрите це явище в 1934 р., радянським
фізиком П.О. Черенковим. С.І. Вавілову
належать великі заслуги в установці
природи цього випромінювання.
Для
з’ясування суті випромінювання
Вавілова-Черенкова скористаємося
рисунком (рис. 5.7):
Рис. 5.7
Тут е – електрон, який рухається вздовж лінії 1, 2, 3 … у конденсованому середовищі зі швидкістю . Пролітаючи повз частинки (атоми, молекули) середовища, електрон збуджує їх, завдяки чому вони починають випускати електромагнітні (світлові) хвилі. З кожної точки середовища вони будуть поширюватися у виді сферичних хвиль 1′, 2′, 3′, … . Кожна наступна частка середовища буде збуджуватись із запізненням, тому радіуси хвиль 1′, 2′, 3′, … послідовно зменшуються. Інтерференція цих елементарних хвиль дає результуючу у вигляді конуса, що огинає поверхню із вершиною у точці 4, де в даний момент знаходиться електрон.
Можна
визначити кут між напрямком поширення
конічної світлової хвилі і напрямком
руху електрона. Якщо за одну секунду
електрон проходить шлях 1-4, то світлова
хвиля за цей час пройде шлях 1-1′. Тому,
відрізки 1-4 і 1-1′ рівні відповідно
і
.
Трикутник 11′4 прямокутний із прямим
кутом у вершині 1′'.
Кут
між
і
буде визначатися рівністю:
5.8
Але
,
де
.
Враховуючи, що
,
вираз (5.8) можемо переписати інакше:
5.9
Вираз (5.9) визначає найважливіший закон випромінювання Вавілова-Черенкова.
Рис. 5.8
Встановлено, що випромінювання є поляризованим: електричний вектор лежить у одній площині, яка проходить через напрямок швидкості руху електрона і напрямок променя світла (зрозуміло, він перпендикулярний променю світла). Важливою властивістю випромінювання є те, що воно когерентне, тобто різні його частини можуть інтерферувати між собою.
Для спостереження ефекта Вавілова-Черенкова може бути використана установка, зображена на рис. 5.8. Рідина L, налита в посудину С, опромінюється γ-квантами (γ-фотонами) великої енергії (порядку 1 МеВ і більше), γ-кванти вибивають з часток рідини електрони, які приймають на себе велику частину енергії γ-фотонів і рухаються вздовж напрямку їх руху зі швидкістю, яка перевищує фазову швидкість світла у рідині. Електрони збуджують частки рідини, які випускають свічення Вавілова-Черенкова, яке поширюється в напрямках, визначених кутом θ. Це випромінювання відбивається від дзеркала S і потім направляється об’єктивом О на фотопластинку або фотоелектричний приймач.
Випромінювання Вавілова-Черенкова в наш час знайшло виключне широке застосування в ядерній фізиці для вимірювання швидкостей частинок високих енергій.