3.5.3.Эффект Вавилова — Черенкова

В 1934 г. П. А. Черенков, работавший под руководством С. И. Вавилова, обнаружил особый вид свечения жидкостей под действием -лучей радия. Вавилов высказал правильное предпо­ложение, что источником излучения служат быстрые электроны, создаваемые -лучами. Это явление получило название эффекта Вавилова — Черенкова. Его полное теоретическое объ­яснение было дано в 1937 г. И. Е. Таммом и И. М. Франком.

Согласно электромагнитной теории заряд, движущийся равно­мерно, не излучает электромагнитных волн. Однако, как показали Тамм и Франк, это справедливо лишь в том случае, если скорость  заряженной частицы не превышает фазовую ско­рость с/п электромагнитных волн в той среде, в которой движется частица. При условии, что  > с/п, даже двигаясь равномерно, частица излучает электромагнитные волны. В действительности ча­стица теряет энергию на излучение, вследствие чего движется с отрицательным ускорением. Но это ускоре­ние является не причиной (как в случае <с/п), а следствием излучения. Если бы потеря энергии за счет излучения воспол­нялась каким-либо способом, то частица, движущаяся равномерно со скоростью >с/п, все равно была бы источником из­лучения.

Эффект Вавилова — Черенкова наблю­дался экспериментально для электронов, протонов и мезонов при движении их в жидких и твердых средах.

В излучении Вавилова — Черенкова преобладают короткие волны, поэтому оно имеет голубую окраску. Наиболее характерным свойством этого излучения является то, что оно испускается не по всем направлениям, а лишь вдоль образующих конуса, ось которо­го совпадает с направлением скорости частицы (рис.3.5.9). Угол между направлениями распространения излучения и вектором ско­рости частицы определяется соотношением

Эффект Вавилова — Черенкова находит широкое применение в экспериментальной технике. В так называемых счетчиках Черенкова световая вспышка, порождаемая быстродвижущейся заряженной частицей, превращается с помощью фотоумно­жителя в импульс тока. Для того чтобы заставить сработать такой счетчик, энергия частицы должна превысить пороговое значение, определяемое условием:  = с/п. Поэтому черенковские счетчики позволяют не только регистрировать частицы, но и судить об их энергии. Удается даже определить угол между направлением вспышки и скоростью частицы, что дает возможность вычислить скорость (а следовательно, и энергию) частицы.

3.5.4. Феноменология поглощения света

При распространении плоской световой волны в веществе ее интенсивность уменьшается по мере проникновения в вещество. Это явление называется поглощением света в веществе. Оно вызвано преобразованием энергии электромагнитной волны в тепло. Бугер и Ламберт установили, что интенсивность I плоской монохроматической волны после прохождения сквозь слой поглощающего вещества толщиной x связана с интенсивностью I₀ этой волны при входе в слой соотношением:

. (3.5.18)

Интенсивность света при прохождении через однородное вещество уменьшается по экспоненциальному закону. Это закон Бугера – Ламберта. Здесь  - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы вещества и состава вещества, и не зависит от интенсивности света. Коэффициент поглощения - численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света уменьшается вe раз.

В случае точечного источника света, находящегося в однородной поглощающей среде световая мощность убывает по экспоненциальному закону.

Коэффициент поглощения монохроматического света пропорционален концентрации раствора при прохождении света через раствор поглощающего вещества в непоглощающем растворе. Это закон Бера:

= ₁c.

Для всех веществ поглощение имеет селективный характер, т.е. коэффициент поглощения зависит от длины волны в вакууме.

Вдиэлектриках поглощение света связанно с резонансом при вынужденных колебаниях электронов в атомах и в молекулах диэлектрика. Диэлектрики поглощают свет избирательно в зависимости от частоты световой волны. При частотах, близких к частотам собственных колебаний поглощение значительно, для всех остальных частот диэлектрик прозрачен,=0. В спектре веществ образуется система тесно расположенных линий – полос пропускания (рис.3.5.10), по которым можно судить о составе и строении молекул. На этом основан спектральный анализ.

В случае газов и паров металлов при невысоком давлении для всех длин волн коэффициент поглощения практически равен нулю, и лишь для очень узких спектральных интервалов δλ (порядка нескольких тысячных нм) обнаруживаются резкие максимумы (рис.3.5.11). Эти максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов, которые практически не взаимодействуют друг с другом.

При повышении давления максимумы поглощения все больше расширяются, и при высоких давлениях спектр приближается к спектрам поглощения жидкостей (рис.3.5.10). Это связано с ростом взаимодействия между атомами.

Можно создать такое состояние атомов вещества, при котором коэффициент поглощения становится отрицательным, и прохождение света через такое вещество сопровождается усилением интенсивности. Именно это и осуществляется в лазерах.