Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
По теории Максвелла, равномерно движущийся заряд не должен излучать. Это действительно так для вакуума и для движения в веществе со скоростью V < сср. Если же V ^> сср, то ситуация меняется.
Заряженная частица поляризует среду вокруг себя. Она смещает электроны атома в одну сторону, а положительно заряженные ядра — в другую. Возвращаясь в исходное состояние, атом излучает электромагнитные волны. Если скорость частицы меньше сср, то поле обгоняет ее, давая сигнал атомам, что «пора пошевеливаться». А из-за того, что поляризация атомов впереди — по траектории частицы и позади — противоположная по направлению, их излучение, складываясь, гасит друг друга. Если же V ^> сср, то симметрия нарушается. Атомы впереди не успевают поляризоваться, и возникает излучение, распространяющееся в конусе, вершиной которого служит летящая частица.
Возникновение светового конуса — еще одна интересная особенность излучения Вавилова —Черенкова. Частица, обгоняющая свой свет, схожа с самолетом, летящим со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе. В последнем случае возникает ударная волна, конусом распространяющаяся за самолетом. Так называемый конус Маха.
Найдем угол раствора светового конуса, воспользовавшись наглядной моделью водяных волн. Известно, что они распространяются с небольшой скоростью и хороший
45
ьловец догоняет волну, а лодка ее перегоняет. Поэтому легко представить себе, что мы идем по берегу со скоростью V, большей скорости волны vB, и через малые промежутки времени бросаем в спокойную воду камешки. От мест па-
Рис. 10. Конус излучения Ba- С: AC — vB-t. Отсюда
скости. В пространстве угол раствора светового конуса черенковского излучения cos 0 =» ccp/v& = clrw. Полагая vie = ?, получим окончательно
Видно, что при ? < bin это выражение теряет смысл, поскольку косинус угла не может быть больше единицы.
Потери энергии заряженной частицы на черенковское излучение почти в тысячу раз меньше, чем ее потери на ионизацию. Тем не менее детекторы, основанные на эффекте Вавилова — Черенкова, получили широкое распространение в физике частиц высоких энергий и космических лучей.
Теперь немного истории.
Впервые это излучение, не подозревая о его природе, наблюдали Мария и Пьер Кюри, когда приготовленные бутыли с растворами препаратов радия светились голубым светом. Это было в 1900 — 1905 гг. В 1926 г. Л. Мал-ле опубликовал статью «Люминесценция воды и органических веществ под действием гамма-лучей». Он наблюдал свечение растворов, но не смог понять их природу. Полное экспериментальное изучение и теоретическое описание эффекта Вавилова — Черенкова относится к 1934—. 1937 гг. Сергей Иванович Вавилов, выдающийся советский физик (ставший в 1945 г. президентом Академии наук СССР) предложил своему аспиранту П. А. Черенкову исследовать люминесценцию водных растворов одной из солей урана. Молекулы соли, возбуждаемые внешним ис-46
>в
дения кругами расходятся волны (рис. 10) и их огибающая представляет собой угол величиной 2В. За время t мы проделаем путь AB = V-1 и за то же время волновое возмущение из точки А достигнет точки
вилова — Черенкова.
cos 0 = vjv. Мы рассмотрели случай волн на пло-
точником гамма-излучения, испускали видимый свет. Молодой ученый успешно начал эксперименты и ... столкнулся с непонятным явлением. При уменьшении концентрации соли (вплоть до того, что облучалась чистая вода) он продолжал наблюдать голубое свечение. Черенков сообщил об этом своему руководителю и Вавилов очень заинтересовался необычным эффектом. Была продумана и выполнена большая программа контрольных экспериментов. Облучали воду в различных сосудах, облучали самые разные органические жидкости, вводили в растворы специальные добавки, тушащие люминесценцию, нагревали жидкости (это тоже тушит люминесценцию). Свечение не пропадало! Более того, его спектральный состав, интенсивность и ряд других свойств не менялись. Тогда Вавилов сделал два важнейших вывода:
1. Излучение не связано с люминесценцией;
2. Оно вызвано быстрыми электронами, рождающимися в столкновениях гамма-квантов с атомами вещества.
Второй из них был подтвержден опытами Черепкова с источником бета-лучей. Исследования продолжались, а в 1937 г. И. М. Франк (тоже ученик Вавилова) и И. Е. Тамм создали теорию эффекта Вавилова — Черенкова. Экспериментальные результаты с хорошей точностью совпадали с вычислениями теоретиков.
Новое явление получило признание далеко не сразу. И. М. Франк вспоминает: «Язвительные замечания по поводу того, что в ФИАНе *) занимаются изучением никому не нужного свечения...» и «занимаются свечением какой-то грязи».
Журнал «Nature» в 1937 г. не принял для печати статью Черенкова, в которой сравнивались результаты опытов с теорией. Происходило то, о чем хорошо написал Г. Дж. Липкин (правда, в применении к эффекту Мёссбауэра). Физическое открытие последовательно проходило ряд периодов.
Первый: 1900—1925 гг. Могли бы открыть, но не открыли.
Второй: 1926—1933 гг. Открыли, но не поняли. Третий: 1934—1937 гг. Поняли, но им не поверили. Четвертый: 1938—1945 гг. Поверили, но не заинтере-Еовались.
