Свечение Вавилова-Черенкова создается, когда какая-либо заряженная частица, например, электрон, на высокой скорости входит в прозрачную среду. Частица продолжает испускать свечение, пока ее скорость не станет меньше фазовой скорости света в среде. Дело в том, что изначально скорость частицы выше фазовой скорости света в среде, в которую она попадает.
Излучение Вавилова-Черенкова: что это за явление, как оно возникает и для чего используется
Наш глаз не воспринимает лучи вне узкого видимого диапазона, поэтому ученые используют для их детектирования специальные инструменты. Однако излучение Вавилова-Черенкова можно увидеть невооруженным глазом. И эти лучи могут рассказать исследователям о многом.
ТАСС
В 1958 году трое советских физиков разделили между собой Нобелевскую премию с формулировкой «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Благодаря этому эффекту в бассейне ядерного реактора можно видеть красивое синее свечение. Также черенковское излучение сегодня помогает исследователям находить следы высокоэнергетичных нейтрино на эксперименте IceCube.
Что такое излучение Вавилова – Черенкова?
История открытия свечения
В сентябре 1932 года Сергея Ивановича Вавилова назначили научным руководителем Государственного оптического института и главой физического отдела Физико-математического института Академии наук СССР. Там вместе со своими аспирантами он исследовал физику атомного ядра. Одним из выдающихся студентов, исследования которого очень заинтересовали ученого, был аспирант Черенков.
Черенков Павел Алексеевич и Вавилов Сергей Иванович – первооткрыватели свечения, в честь которых было названо само физическое явление
Во время очередных измерений Черенков заметил необычное свечение, которое по своей природе не было похоже на люминесценцию. Так как явление было неизвестным, в статьях о его открытии оно обозначалось как «излучение Вавилова-Черенкова». При этом Черенков в своем исследовании больше обращал внимание на практический аспект и описывал процесс и результаты опытов, а Вавилов размышлял о теоретической интерпретации излучения. Так, он писал, что неизвестное явление могло быть вызвано движением не атомов, а электронов в среде.
Объяснить излучение Вавилова-Черенкова смогли советские физики Игорь Тамм и Илья Франк. В своих исследованиях, опубликованных в 1937 году, они объяснили эффект равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц среды со скоростями, превышающими скорость света в конкретной среде. Через 13 лет ученые смогли запечатлеть этот эффект на цветной фотографии.
Тамм Игорь Евгеньевич и Франк Илья Михайлович, которым удалось объяснить излучение Вавилова-Черенкова
Тогда же, в 1937 году, редакция американского научного журнала Physical Review опубликовала заметку Черенкова с объяснением механизма работы излучения Вавилова-Черенкова.
Через 9 лет после того, как эффект был объяснен, в 1946 году, Сергей Вавилов, Игорь Тамм, Илья Франк и Павел Черенков были награждены главным госзнаком научного признания – Сталинской премией I степени. Позже, в 1958 году за открытие ученых наградили Нобелевской премии, однако ее физики получали уже втроем – Вавилова не стало в 1951-м.
Механизм и особенности излучения Вавилова-Черенкова
Как такое может быть, спросите вы. Все дело в том, что скорость света во всех средах разная. И чем плотнее среда, тем ниже эта величина. Поэтому то значение скорости света, которое мы знаем, характерно только для глубокого вакуума, в воде же свет движется гораздо медленнее. Поэтому некоторые высокоэнергетичные частицы могут превышать эту скорость, входя в плотную среду.
Возникновение черенковского излучения похоже на возникновение ударной волны — конуса Маха — при преодолении самолетов звукового барьера. Только в данном случае фронт волны состоит не из молекул воздуха, а из квантов света.
Еще одна важная особенность свечения Вавилова-Черенкова заключается в уменьшении скорости и кинетической энергии частиц. Именно благодаря этому эффекту даже на дне океана есть проблески света. Ученые считают, что большие глаза у глубоководных организмов как раз нужны именно для того, чтобы улавливать это тусклое излучение.
На самом деле, многие исследователи замечали необычное свечение задолго до Черенкова, однако довести опыты до конца и подтвердить наличие эффекта смог именно советский ученый
Как используется свечение сегодня?
Излучение Вавилова-Черенкова ученые ранее использовали для визуализации онкологических патологий. Также оно применяется для детектирования нейтрино. Эти частицы, хоть и не имеют заряда, но могут выбивать заряженные отрицательно электроны с оболочек атомов в прозрачной среде. А эти выбитые электроны, вылетающие с орбит на высокой скорости, создают черенковское излучение.
Кроме того, свечение Вавилова-Черенкова активно используется в исследовательских детекторах – с помощью него удается определить энергию, скорость и направление элементарных частиц космических лучей. В астрономии оно помогает заниматься исследованием гамма-излучения от разных астрономических объектов и коротковолнового гамма-излучения, которое не могут зарегистрировать напрямую космические гамма-обсерватории.
В медицине свечение Вавилова-Черенкова используется для лучевой терапии – оно помогает с высокой точность разрушать опухоль, не повреждая здоровые клетки.
