Эффект Черенкова

Волновые представления позволяют объяснить замечательный эффект, открытый в механике Махом, а в оптике П. А. Черенковым и С. И. Вавиловым. Для понимания этого эффекта рассмотрим сначала (в системе отсчета, связанной с Землей и неподвижной относительно воздуха) акустический излучатель, периодически посылающий импульсы. Если излучатель неподвижен (относительно воздуха), то волновые фронты последовательных импульсов образуют систему концентрических сфер. В момент t=0 фронты импульсов, испущенных в более ранние моменты (—1, —2 и т. д.), занимают положения, изображенные на рисунке 9.8.

Пусть излучатель движется, например,, вправо со скоростью v, меньшей скорости с1 распространения импульсов; положения фронтов импульсов в момент t=0, когда излучатель приходит в точку О, показаны на рисунке 9.9. Теперь фронты импульсов представляют систему неконцентрических сфер, вложенных одна в другую и не пересекающихся. На рисунке 9.9 скорость излучателя принята равной половине скорости импульса с1 Числа на горизонтальной оси определяют мгновенные положения излучателя. Наблюдатель А(неподвижный относительно воздуха) будет воспринимать большее число импульсов в единицу времени, чем наблюдатель В,— возникает эффект Допплера.

Рис 9.8

Рис 9.9

Рис 9.10

Если, наконец, излучатель движется вправо со скоростью ν > с1 то фронты последовательных импульсов (на рисунке 9.10 скорость источника принята равной удвоенной скорости импульса) пересекаются, причем возникает интерференция налагающихся фронтов. Простое построение показывает, что общая огибающая фронтов образует конус с вершиной в точке нахождения источника. Этот конус называют конусом Маха. Угол раствора его, как видно из рисунка, определяется простым соотношением:

sin α = c1 / ν

Такая же картина будет возникать и при непрерывном излучении волн движущимся излучателем.

Этот конус (точнее, сечение конуса плоской поверхностью воды) можно наблюдать при движении в спокойной воде теплохода, идущего со скоростью, превышающей скорость распространения поверхностных поперечных волн, которая невелика. Двигая в ванне брусок,- перпендикулярный поверхности воды, можно без труда реализовать случаи, отвечающие рисункам 9.9 и 9.10.

Черенковым в 1934 г. было открыто, а И. Е. Таммом и И. М. Франком объяснено аналогичное явление в оптике. Электроны, равномерно движущиеся в жидкости со скоростью, превышающей скорость света в этой жидкости, создают аналогичный эффект: в результате интерференции волн, излучаемых возбужденными молекулами среды, образуется полый световой конус.

Так как скорость света в прозрачной среде равна — c/n , где n — показатель преломления, то скорость электронов должна удовлетворять условию:

а угол раствора светового конуса при этом определяется из выражения

Так как излучение Черенкова распространяется вдоль направления движения электронов, то его можно использовать для регистрации быстрых элементарных частиц (счетчики Черенкова), причем сразу определяется и направление движения частицы, и ее скорость, что представляет большие преимущества по сравнению с другими типами счетчиков.

Замечательно, что это излучение создается равномерно движущимся электроном; в тех случаях, когда скорость электрона меньше скорости света в среде, он излучает только при наличии ускорения.