Ефектът на Вавилов-Черенков
Търсене в навигационен изглед
Ефектът на Вавилов-Черенков
Ефектът на Вавилов-Черенков е открит през 1934 г. от съветския физик Павел Алексеевич Черенков, който работи в лаборатория, ръководена от академик Сергей Иванович Вавилов.
История на откритията
Павел Алексеевич Черенков
По време на експеримент за изследване на луминесценцията („студено“ сияние) на течности под въздействието на гама лъчение, млад учен откри красиво синьо сияние, което беше доста слабо. Може да се наблюдава във всички чисти прозрачни течности. Освен това, за разлика от луминесценцията, яркостта на това сияние практически не зависи от химичния състав на течността. И нито температурата, нито добавянето на примеси повлияха на неговата интензивност. Освен това, ако луминесценцията се появява равномерно във всички посоки, тогава новото лъчение е поляризирано и насочено по протежение на електронния лъч. Обобщавайки наблюденията си, Черенков стига до извода, че светлината се излъчва не от течност, а от движещи се в нея бързи електрони. Откритото лъчение е нареченоефект на Вавилов-Черенков.
Естеството на това явление е обяснено през 1937 г. от съветските физици Игор Евгениевич Там и Иля Михайлович Франк.
Игор Евгениевич Тамм
Иля Михайлович Франк
Лъчение на Вавилов-Черенков
Кликнете върху изображението
Как да обясним ефекта Вавилов-Черенков?
Знаем, че във вакуум светлината се движи с най-високата скорост, която може да бъде постигната. Според теорията на относителността нито едно материално тяло, включително бързи елементарни частици (например протони или електрони), не може да се движи със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. Но във всеки друг прозрачен носителсветлината се движи с по-бавна скорост. Например, скоростта на светлината във вода е една трета по-малка от скоростта й във вакуум. Следователно скоростта на протоните или електроните може да надвиши скоростта на светлината в тази среда.
Точно такава ситуация се наблюдава в експеримента на Черенков. Бързите електрони, избити от атомите на средата под въздействието на гама-лъчение, се движат със скорост, надвишаваща скоростта на светлината в тази среда.
Според принципа на Хюйгенс във всяка точка от повърхността, достигната от сферична вълна, възниква нова вълна. По този начин всяка точка от траекторията на електрона може да се счита за източник на вълна, която възниква в момента в момента на преминаването му през него. Всички тези вълни се разпространяват с еднаква скоростu = c/n, къдетоu- скоростта на разпространение на вълната;s- скорост на светлината;n- показател на пречупване на средата.
Ако една частица се движи по-бързо от светлинните вълни, тогава тя изпреварва вълните и за времеt ще пътува от точка А до точка Е, равно наv·t, къдетоv е скоростта на частицата. Радиусът на сферичната вълна, излъчвана от точка А, ще бъде равен наR = u·t, илиc/n·t. Върховете на амплитудите на тези вълни образуват вълнов фронт (вълнова повърхност, до която са достигнали трептенията). Нарича се фронт на вълната на Черенков. Прилича на конус с връх в точка Е. Нормалите към образуващата на конуса показват посоката на движение на светлинните вълни.
Ъгълът между нормалата и посоката на движение на частицата зависи от скоростта на частицата и от скоростта на светлината в средата. Следователно, като изчислим този ъгъл, можем да изчислим скоростта на частицата.
Връзката между стойността на този ъгъл и скоростта на частицата се определя по формулата:
Практическо приложение на ефекта на Вавилов-Черенков
Сиянието на Черенков е достаслаб. И за да го види, Черенков трябваше да седи дълго време на тъмно, за да може най-чувствителната тогава „фотоклетка” – окото му, да види това излъчване. Но в средата на 20-ти век бяха създадени фотоумножители, които направиха възможно откриването дори на отделни фотони. Това даде тласък на практическото приложение на открития от учените феномен. В резултат на това се появиха детектори на Черенков, които започнаха да се използват за откриване на релативистични частици (частици, движещи се със скорост, сравнима със скоростта на светлината).
Задачата надетектора на Черенков, илидетектора на лъчение на Черенков,е да отделя тежките частици от по-леките чрез индиректно определяне на техните маси. За да направите това, определете ъгъла на излъчване на светлината на Черенков и изчислете скоростта на частицата. След това, според кривината на траекторията на частицата в електромагнитното поле, се получава големината на нейния импулс, което позволява да се изчисли нейната маса и да се идентифицира самата частица.
Ефектът на Вавилов-Черенков се използва широко в ядрената физика и физиката на елементарните частици.
В обсерваториите са инсталирани детектори на Черенков. Използват се по целия свят. Например в Япония, в лабораторията Kamioka, работи детекторът Super-Kamiokande, който може да побере 50 000 тона вода и 11 000 светлочувствителни елемента.
Излъчването на Черенков се наблюдава в охлаждащата течност на ядрен реактор. Използва се за управление на работата на ядрени реактори.
През 1958 г. Вавилов, Там и Франк са удостоени с Нобелова награда по физика, която им е присъдена „за откриването и тълкуването на ефекта на Черенков“.