Излучение Вавилова-Черенкова. Особенности свечения

Лекция 15.

Излучение Вавилова-Черенкова.

Излучение открыто в 1934 году. Опубликована статья Вавилова и Черенкова с изложением экспериментальных данных. Исследовалась радиолюминесценция водных растворов урановых солей под действием γ - излучения. Было обнаружено синее свечение и было установлено, что это свечение вызывается не γ – излучением, а порождаемыми ими комптоновскими электронами. В 1934 году ещё не было фотоумножителей, измерения проводились визуально или фиксировалось фотопластинкой. Свечение же было необычайно слабым так, что надо было 2-3 часа адаптировать глаз в темноте.

Особенности свечения.

1.  Направленность: оно испускается только вперёд под определённым углом к направлению распространения электронов (люминесценция же излучается равномерно по всем направлениям).

2.  Интенсивность излучения не зависит от заряда атомов среды Z (значит это не тормозное излучение, пропорциональное Z²).

3.  Свечение наблюдается даже в очень чистых жидкостях (в частности в H₂O), когда люминесценции не должно быть (что также подтверждает, что это не люминесценция).

4.  Примеси не оказывают влияния на это излучение, в то время как они “тушат” люминесценцию.

Объяснение явлению было найдено Франком и Таммом в 1937 году. Нобелевскую премию в 1959 году получили Черенков А.П., Франк И.М. и Тамм И.Е. (Вавилов С.И. скончался в 1951 г.). Согласно теории Франка и Тамма, основанной на классической электродинамике, электрон (как равномерно движущийся в среде заряд) может излучать электромагнитную волну, если его скорость больше фазовой скорости света в среде: v>c'=c/n (n > 1). Чем больше оптическая плотность среды тем меньше необходимая скорость. Для электронов в плотных веществах c’ ~ 0,75c , излучение наблюдается уже при энергиях электронов в сотни кэВ. Для протонов же требуются энергии превышающие 200 МэВ.

                                                                                                                                            (15.1)

                                                                                                                                            (15.2)

Рис. 15.1.Формирование фронта волны излучения Вавилова-Черенкова

Из последнего соотношения следует, что q→ 0, когда cosq → 1 (т.е. когда v лишь слегка превышает  ) и q= q_max когда β = 1 (т.е. v = c) и

.                                                                                                                                            (15.3)

Для воды n = 1,23 и cosq_max = 0,75 , то есть q_max = 41,5º.

Для потерь энергии Таммом и Франком было получено соотношение:

,                                                                                                                                            (15.4)

                                                                                                                                                                                                               (15.5)

.                                                                                                                                            (15.6)

Излучение Вавилова – Черенкова нашло широкое применение в датчиках излучения. По величине  очень просто измерить энергию высокоэнергетичных заряженных частиц. В случае воды для электронов начиная с 260 кэВ, протонов начиная с 477 МэВ.

Рис. 15.2. Изменение угла q при увеличении скорости частицы.