Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Такое излучение экспериментально было обнаружено в 1934 г., а затем подробно исследовано П. А. Черенковым (р. 1904), в то время аспирантом С. И. Вавилова (1891—1951). Черенков показал, что все без исключения жидкие и твердые тела при прохождении через них быстрых электронов, помимо флуоресценции, имеющей место в некоторых случаях, всегда испускают слабый видимый 258
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ» СВЕТА
[ГЛ. III
свет с непрерывным спектром. Свечение частично поляризовано, причем электрический вектор лежит преимущественно в плоскости, образованной световым лучом излучения и направлением движения электрона. Излучение направлено главным образом вперед ii максимально вдоль образующих конуса, ось которого задается направлением движения электрона, а угол при вершине 2Ф определяется формулой (38.1). Свечение не удается потушить ни температурным воздействием, ни прибавлением к светящейся среде веществ, тушащих флуоресценцию. Попытки определения времени нахождения излучающих атомов и молекул в возбужденном состоянии показали, что это время равно нулю: свечение прекращается одновременно с прекращением прохождения электронов через среду. Эти особенности свечения привели С. И. Вавилова к заключению, что оно не является люминесценцией, для которой характерна конечная длительность свечения.
Ввиду очень слабой яркости свечения, Черенков при количественных измерениях в большинстве случаев применял Метод Вавилова фотометрирования по порогу зрения.
В дальнейшем было показано, что свечение вызывается также протонами, мезонами и другими быстрыми заряженными частицами. Свечение, вызываемое радиоактивными излучениями, было известно и ранее, но оно во всех случаях неправильно считалось одним из видов люминесценции.
3. Ведущая роль в руководстве экспериментальными исследованиями, направленными на выяснение природы свечения, принадлежит С. И. Вавилову. Качественное объяснение явления излучения Вавилова — Черенкова, приведенное выше, было дано И. Е. Там-мом (1895—1971) и И. М. Франком (р. 1908) в 1934 г. Тогда же ими была создана и количественная теория, согласующаяся с наблюдаемыми фактами. Несколько позднее, в 1940 г., В. Л. Гинзбург (р. 1916) построил квантовую теорию, основанную на законах сохранения энергии и импульса.
Из рассуждений, приведенных выше, ясно, что в формулу (38.1) должна входить фазовая, а не какая-либо другая скорость света, так как именно она определяет фазы колебаний, а с ними и условие интерференционного усиления волн. Из формулы (38.1) видно, что излучение на частотах ю, для которых п (со) < 1/?, невозможно. Поэтому спектр излучения Вавилова — Черенкова должен обрываться на коротких волнах, где условие (38.1) перестает выполняться из-за дисперсии света. В частности, невозможно излучение Вавилова — Черенкова рентгеновских волн, так как для них п <С 1.
Если бы электрон двигался в среде строго равномерно, то излучение было бы точно сосредоточено на поверхности конуса, определяемого условием (38.1). Из-за неравномерности движения появляется размытие этой поверхности. Но даже и при наличии такого размытия направленность излучения указывает на то, что молекулы ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА - ЧЕРЕНКОВА
259
и атомы среды, возбуждаемые электроном, излучают когерентно если и не на всем пути движения электрона, то во всяком случае на его части порядка длины световой волны. Следовательно, рассматриваемое явление практически не зависит от атомного строг-ния среды и может быть рассмотрено в рамках макроскопической электромагнитной теории. Это и было сделано Таммом и Франком. Ограничимся приведением основного результата. Полная энергия, излучаемая электроном в единицу времени на единице его пути, определяется формулой
Pl >1
Интегрирование производится по частотам, для которых ?« (со) >1. Той же формулой очевидным образом определяется и распределение излучаемой энергии по спектру частот. Формула справедлива при выполнении условия
T»|4r|<f(a), (38.3)
т. е. когда скорость электрона V за период световых колебаний T = 2л/со меняется мало по сравнению с фазовой скоростью v (ш). По оценке Тамма и Франка полная потеря энергии электрона на излучение Вавилова — Черенкова в жидкостях и твердых телах по порядку величины составляет несколько тысяч электрон-вольт на сантиметр пути, т. е. пренебрежимо мала по сравнению с потерями энергии по другим причинам.
Излучение электрона, конечно, приводит к его торможению. Само по себе ускоренное движение электрона вызывает излучение. Однако из изложенного выше следует, что это излучение не имеет ничего общего с интерференцией, определяющей излучение Вавилова — Черенкова. Если бы к электрону приложить силу, уравновешивающую все тормозящие силы, то ускорение исчезло бы, а излучение Вавилова — Черенкова осталось бы. Именно так надо понимать утверждение, что электрон, равномерно движущийся в среде, излучает, если его скорость больше фазовой скорости света в этой среде.
4. Явления, аналогичные излучению Вавилова — Черенкова, давно известны в гидро- и аэродинамике. Например, если скорость судна превышает минимальную фазовую скорость на поверхности воды, то оно начинает непрерывно генерировать волновые цуги, Даже когда его скорость остается постоянной. В этом причина так называемого волнового сопротивления, встречаемого судами при движении по поверхности воды. То же самое происходит при полете снарядов и самолетов в воздухе. Они начинают излучать ударные волны, называемые волнами Маха (1838—1916), если движутся со сверхзвуковыми скоростями. Потери энергии на это излучение 2g0
