Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Механизм возникновения излучения. Качественно возникновение излучения Вавилова — Черенкова можно понять из следующих рассуждений. Пусть частица, например электрон, движется в прозрачном диэлектрике. Электрон при движении поляризует <|ТОМЫ в объеме, прилегающем к его траектории*. Это означает, что каждый «элементарный» объем вблизи траектории электрона будет получать некоторую энергию. После ухода электрона состояние поляризации исчезает и энергия, затраченная на поляризацию атомов, может быть унесена излучением. При медленном движении частицы, когда ее скорость меньше, чем скорость распространения электромагнитного поля в диэлектрике, вследствие полной симметрии поляризации вокруг частицы, излучения от отдельных атомов гасят друг друга. При движении частицы со скоростью, большей скорости света в диэлектрике, поляризация уже не будет полностью симметричной, так как частица опережает световой сигнал о своем появлении. Вдоль направления движения появится результирующее электромагнитное поле диполя, которое будет существовать и на больших расстояниях. Волны, испускаемые на различных участках траектории, могут оказаться в фазе, так что в удаленной точке наблюдения будут существовать результирующее поле, т. е. наблюдаться излучение.
Условие возникновения излучения можно пояснить следующим образом (рис. 9.1). Пусть скорость движения частицы в среде v, скорость распространения света в среде равна с/я, где п — показатель
* Часть атомов в этом объеме окажется ионизованной, а часть возбужденной.
297- преломления среды, и пусть частица движется вдоль направления А Б. Для того чтобы интерференция волн от отдельных элементарных объемов не приводила к их взаимному гашению, необходимо время прохождения частицей пути А Б приравнять к времени прохождения светом пути AB. Поскольку расстояние А Б всегда больше AB, необходимо, чтобы V > сіп, т. е. скорость частицы должна быть больше скорости света в среде. Из условия равенства времен прохождения отрезков А Б и AB получаем условие излучения
cos 8 = l/(?«), (9.1)
где, как обычно, ? = vie. Из рис. 9.1 ясно, что излучение наблюдается лишь под определенным углом 0 относительно траектории
частицы, при котором волны, возникающие в произвольных точках траектории АБ, образуют волновой фронт БВ. Из соотношения (9.1) следует: 1) для среды с данным л существует пороговая скорость ?MlIH == Mn, ниже которой излучение не возникает. При скорости, равной пороговому значению, направление излучения совпадает с направлением движения частицы; 2) ультрарелятивистским частицам с ? aj 1 соответствует 9MaKC=arccos Mn; 3) излучение приходится Направление распро-на видимую и примыкающую к ней области странения излучения спектра, для которых n~> 1.
На рис. 9.1 изображена лишь плоская картина. Естественно, существует полная симметрия относительно траектории частицы. Свет, возникающий на каждом участке траектории, распространяется по поверхности конуса, вершина которого расположена на этом участке, ось совпадает с траекторией частицы, а половина угла при вершине равна Э. Распределение интенсивности света по 6 близко к 6-образ-ному, а поляризация света оказывается такой, что вектор напряженности электрического поля всегда направлен по нормали к поверхности конуса, а вектор напряженности магнитного поля — по касательной.
При выводе условия излучения (9.1) неявно предполагалось, что скорость движения частицы через среду постоянна, а сама среда не имеет границ, в противном случае угол излучения будет изменяться вдоль траектории частицы, а само излучение испытывать преломление (и отражение) на границе среды.
Напомним, что существует и другой механизм образования электромагнитного (так называемого тормозного) излучения при движении заряженной частицы в среде. Образуется это тормозное излучение*, если скорость частицы резко изменяется. Между излучением
Рис. 9.1. К выводу условия существования излучения Вавилова — Черен-кова
* Сечение образования тормозного излучения и его характеристики приведены в гл. 2.
298- Вавилова — Черенкова и тормозным имеется принципиальное различие. Излучение Вавилова — Черенкова обусловлено макроскопическими свойствами среды, а тормозное — взаимодействием с отдельными атомами. Для тормозного излучения характерны большие передачи энергии при одном взаимодействии, т. е. высокочастотный спектр излучения. Кроме того, интенсивность тормозного излучения — функция массы частицы и существенна только для наиболее легких частиц — электронов и позитронов. Заметим, что хотя полная энергия, испускаемая электроном при тормозном излучении, гораздо больше, чем при излучении Вавилова—Черенкова, однако существенное различие в спектральном распределении этих излучений приводит к тому, что в видимой части спектра излучение Вавилова — Черенкова оказывается гораздо более интенсивным, чем тормозное. Угловые распределения тормозного излучения и излучения Вавилова — Черенкова также резко отличаются друг от друга. В первом случае угол испускания уменьшается с ростом энергии частицы, а во втором увеличивается. Кроме того, для тормозного излучения не существует уникального угла излучения.
