Світіння Черенкова пов’язано з цікавим фізичним явищем, коли швидкість заряджених частинок перевищує фазову швидкість світла в речовині. Зниження останньої величини відбувається заломлення променів. Цей ефект вперше був відкритий при вивченні люмінесценції рідин. В подальшому він придбав велике практичне значення в ядерній фізиці та астрономії.
Що це таке?
Світіння Черенкова являє собою випромінювання фотонів, що виникає при русі заряджених частинок з постійною швидкістю, що перевищує фазову швидкість світла в даному середовищі.
Це явище має універсальний характер, тобто під впливом опромінення, що має достатню енергію, будуть «світитися» всі типи прозорих середовищ, а не тільки рідини, як це було виявлено першовідкривачами.
Історія відкриття
Випромінювання сверхсветових частинок було відкрито в 1934 році. В науковій літературі це фізичне явище отримало назву по імені двох радянських учених – випромінювання Вавілова-Черенкова. Вони займалися вивченням люмінесценції при радіоактивному опроміненні рідких розчинів солей урану.
В ході дослідів були виявлені наступні відмінності виявленого Черенковим світіння:
- незалежність спектру та інтенсивності від типу середовища і її температури;
- зв’язок з рухом заряджених частинок;
- поляризація світлової хвилі;
- найбільша інтенсивність – у синьому спектрі;
- пороговий характер (наприклад, випромінювання не з’являється, якщо енергія рентгенівського променя перевищує 30 Кев).
На основі цих фактів Живців зробив висновок, що дане явище – це не люмінесценція, а випромінювання фотонів електронами, які з’являються в результаті впливу гамма-променів.
Певну складність в проведенні експериментів представляло те, що для реєстрації радіоактивного світіння у Черенкова не існувало спеціальної апаратури. Вченому доводилося протягом декількох годин адаптувати очі до повній темряві, щоб помітити дуже слабке випромінювання. Колегами по науці виявлене явище було скептично сприйнято. Таке випромінювання помітили раніше французький фізик Малле і Марія Кюрі, але детальне вивчення його властивостей – це заслуга Черенкова.
У 1958 р. трьом ученим-основоположникам, які запропонували теоретичне обґрунтування цього ефекту – Черенкову, Тамму і Франка – була вручена Нобелівська премія.
Пояснення фізичного явища
У традиційній інтерпретації виділяють кілька факторів, що пояснюють, що таке ефект Черенкова:
- заряджені частинки, що рухається в середовищі, взаємодіють з її атомами і молекулами;
- відбувається їхня поляризація;
- формується спонтанне когерентне випромінювання;
- в результаті складання світіння окремих атомів спостерігається ефект Черенкова-Вавілова.
Іншими словами, дане явище виникає внаслідок взаємодії середовища з зарядженими частинками.
Теоретичне обґрунтування світіння Черенкова було дано пізніше на основі трьох наукових підходів:
- Тамма-Франка;
- Фермі;
- квантово-механічної фізики.
Остання інтерпретація відрізняється від класичної. Відповідно до цього підходу, дане явище пов’язане з електромагнітним вакуумом, яке змінюється речовиною, а не з самою середовищем.
Коли можна спостерігати світіння?
Світіння Черенкова в чистому вигляді можна спостерігати лише в ідеальних умовах, коли заряджена частинка переміщається з незмінною швидкістю в радіаторі нескінченної довжини. У всіх інших випадках це явище супроводжується так званим перехідним випромінюванням, яке викликане зміною електромагнітних властивостей середовища по траєкторії руху електрона.
В непрозорих середовищах останній тип світіння переважає, а інтенсивність випромінювання Черенкова знижується через його поглинання. Для реєстрації окремої частинки використовують сумарний потік фотонів.
Практичне застосування
Світіння Черенкова використовується для експериментальних методів в цілях реєстрації елементарних частинок і дослідження їх властивостей. При відомому напрямку світла і показнику заломлення середовища можна визначити швидкість руху частинки. Отримане випромінювання перетвориться сучасним фотоелектронним помножувачем в електричний сигнал, що фіксується черенковским лічильником.
Такі пристрої знаходять широке застосування в ядерній фізиці. Теоретична основа явища пов’язана також з хвилями Маха в акустиці і деякими проблемами прискорювачів частинок. Диференціальний тип лічильників дозволяє ідентифікувати вид частинки в прискорювачах.
Інший областю застосування світіння Черенкова є гамма-астрономія. Черенковские лічильники з великими детекторами фіксують гамма-кванти, які потрапляють в атмосферу Землі від далеких зірок з космосу. Це дозволяє краще вивчити процеси, що відбуваються у Всесвіті.
Цікаві факти
Після визнання робіт, присвячених світінням Черенкова, в експериментальної і теоретичної фізики розпочався активний ріст досліджень у даній області. З цим явищем пов’язані такі цікаві факти:
- У глибинах Світового океану також відбувається розпад радіоактивних ізотопів. Існує гіпотеза, що великі очі у глибоководних тварин потрібні для того, щоб бачити при слабкому освітленні. Навіть у великих западинах океанського дна вода трохи світиться з-за явища Черенкова-Вавілова, тобто уявлення про непроглядній пітьмі є помилковим.
- Описаний ефект Черенкова-Вавілова використовується в байкальском підводному нейтринном телескопі. Фотоумножители опускають у озеро на велику глибину на тросах. Призначення установки – дослідження спектрів нейтрино і мюонів, що містяться в космічному випромінюванні.
- Існує також цікавий проект використання в якості черенковского радіатора крижаній поверхні Антарктиди.
- Розроблений і поступово реалізується міжнародний проект «Масив черенковских телескопів», головним призначенням якого є дослідження космічного простору в спектрі гамма-випромінювання. Буде побудовано 118 тарілкових телескопів по всьому світу.
Інтенсивне світіння Черенкова спостерігають також за вивантаження відпрацьованого ядерного палива електростанцій в басейн витримки, після чого касети відправляють на утилізацію.
