Применение эффекта черенкова вавилова

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Navigation

Search

Эффект Вавилова-Черенкова

Details Category: Фотометрия Published on Wednesday, 28 January 2015 18:37 Hits: 6202

Эффект Вавилова-Черенкова был открыт в 1934 г. советским физиком Павлом Алексеевичем Черенковым, работавшим в лаборатории, возглавляемой академиком Сергеем Ивановичем Вавиловым.

История открытия

Павел Алексеевич Черенков

Во время эксперимента по исследованию люминесценции («холодного» свечения) жидкостей под воздействием гамма-излучения молодой учёный обнаружил красивое голубое свечение, которое было довольно слабым. Его можно было наблюдать у всех чистых прозрачных жидкостей. Причём, в отличие от люминесценции, яркость этого свечения практически не зависела от химического состава жидкости. И ни температура, ни добавление примесей не влияли на его интенсивность. Кроме того, если люминесценция происходит равномерно во все стороны, то новое излучение было поляризовано и направлено вдоль пучка электронов. Обобщив свои наблюдения, Черенков пришёл к выводу, что свет излучается не жидкостью, а движущимися в ней быстрыми электронами. Открытое излучение было названо эффектом Вавилова-Черенкова.

Природу этого явления объяснили в 1937 г. советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк.

Игорь Евгеньевич Тамм

Илья Михайлович Франк

Излучение Вавилова-Черенкова

Нажать на изображение

Как же объяснить эффект Вавилова-Черенкова?

Мы знаем, что в вакууме свет движется с наивысшей скоростью, которой можно достичь. Согласно теории относительности, ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы (например, протоны или электроны), не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Но в любой другой прозрачной среде свет распространяется с меньшей скоростью. Например, скорость света в воде на треть меньше его скорости в вакууме. Поэтому скорость протонов или электронов может превысить скорость света в этой среде.

Как раз такая ситуация и наблюдалась в опыте Черенкова. Быстрые электроны, выбитые из атомов среды под воздействием гамма-излучения, двигались со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Согласно принципу Гюйгенса, в каждой точке поверхности, достигнутой сферической волной, возникает новая волна. Таким образом, каждую точку траектории электрона можно считать источником волны, возникающей в момент в момент её прохождения им. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью u = c/n, где u — скорость распространения волны; с — скорость света; n — показатель преломления среды.

Если частица движется быстрее световых волн, то она обгоняет волны и за время t пройдёт путь от точки А до точки Е, равный v·t, где v — скорость частицы. Радиус сферической волны, испущенной из точки А, будет равен R = u·t, или c/n·t. Пики амплитуд этих волн образуют волновой фронт (волновую поверхность, до которой дошли колебания). Его называют волновым фронтом Черенкова. Он выглядит, как конус с вершиной в точке Е. Нормали к образующим конуса показывают направление движения световых волн.

Угол между нормалью и направлением движения частиц зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Поэтому вычислив этот угол, можно вычислить и скорость частицы.

Связь между величиной этого угла и скоростью частицы определяет формула:

Практическое применение эффекта Вавилова-Черенкова

Свечение Черенкова довольно слабое. И, чтобы его увидеть, Черенкову приходилось подолгу сидеть в темноте, чтобы самый чувствительный в то время «фотоэлемент» — его глаз — смог это излучение разглядеть. Но в середине ХХ века были созданы фотоумножители, которые позволили фиксировать даже отдельные фотоны. Это дало толчок к практическому применению открытого учёным явления. В итоге появились черенковские детекторы, которые начали использовать для регистрации релятивистских частиц (частиц, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света).

Задача черенковкого детектора, или детектора черенковского излучения, — отделить тяжёлые частицы от более лёгких, косвенным образом определив их массы. Для этого определяют угол излучения черенковского света и вычисляют скорость частицы. Затем по искривлению траектории движения частицы в электромагнитном поле получают величину её импульса, что даёт возможность вычислить её массу и идентифицировать саму частицу.

По черенковскому излучению определяют содержание радионуклидов в воде напрямую, без применения специальных детекторов.

Эффект Вавилова-Черенкова широко применяется в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Детекторы Черенкова установлены в обсерваториях. Они используются во всём мире. Например, в Японии в лаборатории г. Камиока функционирует детектор «Супер-Камиоканде», вмещающий 50 тысяч тонн воды и 11 000 светочувствительных элементов.

Излучение Черенкова наблюдается в охлаждающей жидкости ядерного реактора. Его используют для контроля работы ядерных реакторов.

В 1958 г. Вавилов, Тамм и Франк стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им «за открытие и истолкование эффекта Черенкова».

Источник

Эффект Вавилова-Черенкова: что нужно знать?

В научно-фантастических фильмах ядерные реакторы и ядерные материалы всегда светятся синим светом. Например, в первом фильме про «Железного человека», герой Тони Старка в исполнении Роберта-Дауни младшего собирает небольшой ядерный реактор, питающий костюм. Интересно, что характерное голубое свечение, исходящее от реактора (будь тот настоящий) – реально существующее явление под названием эффект Вавилова-Черенкова. Именно из-за него вода, окружающая ядерные реакторы, действительно светится ярко-синим. Впервые это свечение заметили физик Сергей Вавилов и его аспирант Павел Черенков в лаборатории Физико-математического института в 1933 году, когда увидели, что бутылка с водой, подвергшаяся воздействию радиации, засветилась синим светом. В 1958 году за это открытие Черенков получил Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Ильей Франком и Игорем Таммом, которые экспериментально подтвердили существование эффекта. Хотя объяснить излучение Вавилова-Черенкова удалось только после публикации Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности, его существование было предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом еще в 1888 году.

Когда некие частицы, например, космические частицы, двигаются быстрее скорости света в некоторой среде, появляется излучение Вавилова-Черенкова.

Что такое излучение Вавилова-Черенкова?

Превысить скорость света в вакууме невозможно. Но когда элементарная частица находится в плотной среде, то может превысить это ограничение. Так, частица, разогнанная в вакууме, может влететь в воду со скоростью, например, 299 799 километров в секунду: так как законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, частица, находясь в среде, пролетает какое-то расстояние быстрее местного ограничения. Во время полета частица тормозит теряя энергию, которой нужно куда-то деваться.

Как пишет Tass в статье, посвященной Нобелевской премии по физике 1958 года, при торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света. Одна из особенностей черенковского излучения заключается в том, что оно в основном находится в непрерывном ультрафиолетовом спектре, а не в ярко-синем.

Интересно, что черенковское излучение аналогично эффекту звукового удара. Например, если самолет в воздухе движется медленнее скорости звука, то отклонение воздуха вокруг крыльев самолета происходит плавно. Однако если скорость движения превышает среднюю скорость звука, то происходит внезапное изменение давления и ударные волны распространяются от самолета в конусе со скоростью звука.

Вы наверняка замечали, что ядерный реактор Тони Старка сияет голубым светом.

То, как именно появляется излучение, детально проверяли Вавилов, Черенков, Тамм и Франк. Так как в 1951 году Вавилова не стало, трое физиков получили Нобелевскую премию семь лет спустя. Благодаря их работе, сегодня можно наблюдать излучение Вавилова-Черенкова практически где угодно. При. условии, конечно, что вы знаете, куда смотреть.

Хотите быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Жуткий синий свет

Когда черенковское излучение проходит через воду, заряженные частицы движутся быстрее света через эту среду. Таким образом, свет, который вы видите, имеет более высокую частоту (или более короткую длину волны), чем обычная длина волны. Поскольку в черенковском излучении преобладает свет с короткой длиной волны, свечение кажется синим. Это происходит потому, что быстро движущаяся заряженная частица возбуждает электроны молекул воды, которые поглощают энергию и высвобождают ее в виде фотонов света, возвращаясь к равновесию. Обычно некоторые из этих фотонов нейтрализуют друг друга (разрушительная интерференция), так что свечения не видно. Но когда частица движется быстрее, чем свет может пройти через воду, ударная волна создает конструктивную интерференцию, которую мы и видим как свечение.

Спектр излучения Черенкова непрерывен, и его интенсивность увеличивается с частотой; именно это и придает ему жуткий синий цвет, который вы видите на фотографиях реакторов «плавательного бассейна».

К счастью, излучение Вавилова-Черенкова можно использовать не только для того, чтобы вода в ядерной лаборатории светилась синим. Так, в реакторе бассейнового типа количество синего свечения может быть использовано для измерения радиоактивности отработавших топливных стержней. Излучение используется в экспериментах по физике элементарных частиц – физики надеются, что оно поможет им определить природу исследуемых частиц.

Более того, черенковское излучение возникает, когда космические лучи и заряженные частицы взаимодействуют с атмосферой Земли, поэтому для измерения этих явлений, обнаружения нейтрино и изучения излучающих гамма-лучи астрономических объектов, например остатки сверхновых, используются детекторы.

О том, за что вручили Нобелевскую премию по физике в 2020 году и почему ученые считают, что до Большого взрыва существовали другие вселенные, я рассказывала в этой статье.

Интересно, что если релятивистские заряженные частицы ударяют в стекловидное тело человеческого глаза, то можно увидеть вспышки черенковского излучения, например, от воздействия космических лучей или в результате ядерной аварии, так что лучше, пожалуй, воздержаться от этого яркого зрелища.

Источник

Свет во тьме: эффект Вавилова – Черенкова

Фото: United States Nuclear Regulatory Commission / wikimedia.org

Сегодня исполняется 130 лет со дня рождения выдающегося ученого Сергея Ивановича Вавилова . С его именем связано становление советской физики, а также открытие, которое удостоилось Нобелевской премии.

В 1958 году советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике за истолкование особого вида излучения – «эффекта Черенкова». Именно под этим названием новое физическое явление получило известность на Западе. Российские физики нарекли синее свечение «излучением Вавилова – Черенкова», подчеркивая решающую роль Сергея Вавилова в успехе его аспиранта Павла Черенкова. Впрочем, для большой науки первостепенно не название, а скорее великое значение самого открытия. Об истории обнаружения загадочного излучения и о том, какие тайны Вселенной оно расскажет человечеству, – в нашем материале.

История «нового света»

В сентябре 1932 года Сергей Иванович Вавилов был назначен научным руководителем Государственного оптического института (ГОИ), в связи с чем переехал в Ленинград. В северной столице он также возглавил физический отдел Физико-математического института Академии наук СССР.

По воспоминаниям сотрудников института с приходом Сергея Ивановича научная жизнь в физическом отделе заметно оживилась. Эти изменения коснулись прежде всего аспирантов. К примеру, был организован ряд лекционных курсов по математике и физике, чтобы восполнить пробелы в фундаментальных знаниях. Кроме того, у всех аспирантов появились научные руководители. Троих молодых ученых – Николая Добротина, Павла Черенкова и Антона Севченко – Вавилов взял под свое научное руководство. Впоследствии все трое стали известными физиками, а один – лауреатом Нобелевской премии.

Своим аспирантам Сергей Иванович предложил темы для исследования, связанные с физикой атомного ядра. Стоит отметить, что решение – очень смелое для того времени. Всего годом ранее был открыт нейтрон, а строение атомного ядра еще только обсуждалось. Немногие ученые способны были предвидеть большое будущее ядерной физики, в их числе был Сергей Иванович Вавилов. Так своим ученикам он предложил на выбор три темы: люминесценция растворов ураниловых солей под действием гамма-излучения радия; исследование свойств нейтронов; изучение изотопических эффектов. Аспирант Павел Черенков решил изучать свечение ураниловых солей, или по-научному люминесценцию.

В учение о люминесценции Сергей Вавилов внес огромный вклад. Это ему, в частности, принадлежит определение люминесценции через время высвечивания. Вавиловым были разработаны и экспериментальные методы, позволяющие определить основные характеристики люминесцирующих веществ. К исследованиям своего аспиранта Черенкова, ученый подошел с большим вниманием и энтузиазмом. Принимал участие в измерениях, познакомил аспиранта с собственным методом фотометрии по порогу зрения.

Вавилов С.И. с сотрудниками Государственного Оптического института за работой в лабораториях, 1934 г. Фото: Архив РАН

Какое же загадочное излучение увидел Черенков во время своих экспериментов? Свечение различных жидкостей под действием гамма-лучей наблюдалось и ранее. Вероятно, первой увидела такое излучение Мария Кюри. В ее работах упоминается слабое синее свечение в растворах с радием. Другой исследователь, Малле, в 1926 году также заметил особое свечение жидкостей рядом с радиоактивными веществами. Однако французский физик принял наблюдаемое им свечение за люминесценцию и никаких дальнейших исследований не провел. Нужно отдать должное упорству Павла Черенкова, с которым он подошел к изучению обнаруженного явления. Помогли опыт и знания Сергея Вавилова, в частности, понять, что обнаруженное свечение – не люминесценция, а что-то иной природы.

Первые сообщения об открытии были опубликованы в конце мая 1934 года в журнале Доклады Академии наук СССР. Одна статья была написана Павлом Черенковым, другая – его научным руководителем Сергеем Вавиловым. По сути, обе публикации представляли собой две части единого исследования о неизвестном ранее явлении, которое получило название «излучение Вавилова – Черенкова».

Как советские физики пролили свет на «синее свечение»

В своей статье Черенков рассказывает о проведенных опытах, а также их результатах по измерению свойств нового свечения: яркости, поляризации, спектрального состава. Вавилов же пытается предоставить теоретическую интерпретацию обнаруженного излучения. Его статья так и называлась – «О возможных причинах синего гамма-свечения жидкостей». На основании проведенных опытов Сергей Вавилов утверждал, что наблюдаемое синее свечение «вообще не может быть каким-либо видом люминесценции».

Согласно его предположению, излучение вызвано движением электронов в среде в отличие от обычного теплового излучения, которое вызвано движением атомов. Сам Вавилов, хотя и высказал такое предположение, не считал его окончательным. Он был в поиске – продолжал активные обсуждения с коллегами, планировал дальнейшие эксперименты для объяснения природы излучения.

Павел Черенков, Илья Франк, Игорь Тамм

Первыми найти верное обоснование удалось советским физикам Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Ивановичу Франку. В 1937 году они опубликовали ряд теоретических работ, где черенковское излучение объяснялось равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц среды со скоростями, которые превышают скорость света в данной среде. К примеру, скорость света в воде на четверть меньше, чем в вакууме. Поэтому электрон высокой энергии обгонит свет в воде, и при этом не превысит скорости света в вакууме. Если такая частица идет через воду, она создает электромагнитную взрывную волну, которая переносит в себе энергию на разных длинах волн электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создается больше, чем на красном, поэтому свет нам кажется голубым. Уже значительно позднее, в середине 1950-х годов, этот эффект советским физикам удалось запечатлеть на цветном фото.

Сергей Вавилов был одним из первых, кто принял идею Тамма и Франка. Павел Черенков также согласился с теорией, после проведения ряда экспериментов по ее проверке. По совету Вавилова аспирант подготовил небольшую заметку на английском языке о новом эффекте и послал ее в известный лондонский естественно-научный журнал Nature. Однако редакция журнала не приняла заметку к публикации. Вавилов посоветовал Черенкову отправить заметку в американский журнал Physical Review. Там она и была напечатана в 1937 году.

Черенков (третий справа), Франк (второй справа) и Тамм (третий слева) на вручении Нобелевской премии в 1958 году

В 1946 году Сергей Вавилов, Игорь Тамм, Илья Франк и Павел Черенков получили Сталинскую премию I степени – в то время высший государственный знак научного признания. Мировую славу открытия Вавилов не застал – ученого не стало в 1951 году. Спустя всего семь лет Тамму, Франку и Черенкову была присуждена Нобелевская премия по физике – «за открытие и объяснение эффекта Черенкова».

Освещая путь науки: от глубин океана до космической бездны

Известный физик Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения Нобелевской премии сказал: «Открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».

За все эти годы излучение Вавилова – Черенкова действительно нашло множество применений. Большое развитие получила техника черенковских счетчиков. Эти устройства быстро вошли в арсенал физики высоких энергий – для определения скорости частицы, ее заряда и других характеристик. Еще в начале 1960-х годов в СССР был создан самый большой черенковский счетчик в мире. С его помощью, в частности, исследовалось множественное рождение элементарных частиц «мезонов» в ядерных взаимодействиях при высоких энергиях.

Детектор Super-Kamiokande. Фото: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo

В 1996 году в Японии начал работу гигантский черенковский детектор Super-Kamiokande, диаметром примерно 40 метров и вместимостью 50 тыс. тонн воды. Этот гигант позволил сделать важные открытия в физике нейтрино – загадочной, трудноуловимой частицы. Огромный размер счетчика позволяет регистрировать отдельные и не очень частые акты взаимодействия нейтрино с протонами и нейтронами в атомных ядрах элементов, составляющих воду (кислород и водород). «Выдают» себя нейтрино излучением Вавилова – Черенкова, светясь проходя через толщу воды. Это излучение улавливается и детально анализируется. Можно с большой точностью определить тип нейтрино, вызвавшего реакцию, а также энергию и направление импульса. Так в 1987 году Super-Kamiokande зарегистрировал нейтрино, порожденные при вспышке сверхновой в Большом Магеллановом облаке и положил начало нейтринной астрономии.

Позже для лучшей охоты на нейтрино детекторы стали размещать в озерах. К примеру, самый крупный в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп находится на Байкале. Это Baikal-GVD , строительство которого стартовало в 1990 году. Последняя версия телескопа была запущена совсем недавно. Кстати, в проекте его создания приняла участие Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) Ростеха.

Baikal-GVD отводится важная роль в формировании мировой нейтринной сети – он присоединился к детектору IceCube, ловящим нейтрино на Южном полюсе, а также к проектам ANTARES и KM3NeT в Средиземном море. Ученые в ожидании новых сенсационных открытий – регистрации реликтовых нейтрино, которые расскажут о первых секундах нашей Вселенной после Большого взрыва и ее дальнейшей эволюции.

Фото: BAIKAL-GVD

Эффект Вавилова – Черенкова находит место и в медицине, в лучевой терапии. Это излучение возникает, когда при радиотерапии заряженные частицы движутся сквозь среду, то есть человеческое тело. Метод, получивший название «черенкоскопии», сделает радиотерапию более точечной. То есть излучение можно будет направлять и дозировать с высокой точностью, добиваясь основной цели – разрушить опухоль, не задев здоровые ткани.

Излучение Вавилова – Черенкова проливает свет на многое, в буквальном смысле, освещая путь к новым научным открытиям, а кому-то просто «освещает» жизнь. Например, рыбам на многокилометровой глубине океана. Дело в том, что в морской воде растворен радиоактивный изотоп кальция, испускающий быстрые электроны, которые и светятся синим. Благодаря этому у всех глубоководных рыб сохранились глаза и зрение, а свечение Вавилова – Черенкова для них – настоящий «луч света в темном царстве».

Источник