Доказательство невозможности излучения заряженной частицы, движущейся в однородной среде со скоростью, меньшей скорости света в этой среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследовательская работа по теме:

"Доказательство невозможности излучения заряженной частицы, движущейся в однородной среде со скоростью, меньшей скорости света в этой среде"

Подготовила: Бражникова Дарья

Учитель: Овчинникова Полина Михайловна

1. В 1934 году Павел Черенков проводил в лаборатории Сергея Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения и обнаружил слабое голубое свечение, вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Позже выяснилось, что эти электроны двигались со скоростью выше скорости света в среде.

2. Уже первые эксперименты Черенкова, предпринятые по инициативе С.И. Вавилова, выявили ряд характерных особенностей излучения: свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава, излучение имеет поляризацию с преимущественной ориентацией электрического вектора вдоль направления первичного пучка. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление - не люминесценция жидкости, а свет излучают движущиеся в ней быстрые электроны. Голубое свечение вещества происходит в чистых (без примесей) жидкостях, газах, твёрдых телах. Оно возможно при условии резонанса на циклической частоте т.е.:

W = W0

Условие резонанса:

nv/c * cos Q = 1

вавилов черенков физика эффект

3. Эксперимент: Черенков обнаружил, что жидкость светится и без растворённой соли. Он пользовался дважды дистиллированной водой, чтобы удалить все примеси, которые могли быть скрытыми источниками флуоресценции. Он применял нагревание и добавлял химические вещества, такие, как йодистый калий и нитрат серебра, которые уменьшали яркость и изменяли другие характеристики обычной флуоресценции, всегда проделывая те же опыты с контрольными растворами. Свет в контрольных растворах изменялся, как обычно, но голубое свечение оставалось неизменным.

Исследование существенно осложнялось из-за того, что у Черенкова не было источников радиации высокой энергии и чувствительных детекторов, которые позднее стали самым обычным оборудованием. Вместо этого ему пришлось пользоваться слабыми естественными радиоактивными материалами для получения гамма-лучей, которые давали едва заметное голубое свечение, а вместо детектора полагаться на собственное зрение, обострявшееся с помощью долгого пребывания в темноте. Тем не менее ему удалось убедительно показать, что голубое свечение представляет собой нечто экстраординарное. Значительным открытием была необычная поляризация свечения. Свет представляет собой периодические колебания электрического и магнитного полей, напряженность которых возрастает и убывает по абсолютной величине и регулярно меняет направление в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Если направления полей ограничены особыми линиями в этой плоскости, как в случае отражения от плоскости, то говорят, что свет поляризован, но поляризация тем не менее перпендикулярна направлению распространения. В частности, если поляризация имеет место при флуоресценции, то свет, излучаемый возбужденным веществом, поляризуется под прямым углом к падающему лучу. Черенков обнаружил, что голубое свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей. Исследования, проведенные в 1936 г., показали также, что голубое свечение испускается не во всех направлениях, а распространяется вперед относительно падающих гамма-лучей и образует световой конус, ось которого совпадает с траекторией гамма-лучей. Это послужило ключевым фактором для его коллег, Ильи Франка и Игоря Тамма, создавших теорию, которая дала полное объяснение голубому свечению, ныне известному как излучение Черенкова - Вавилова.

4 Теоретическое объяснение явления было дано И. Таммом и И. Франком в 1937 году.

Когда скорость электрона становится больше фазовой скорости света в данной среде, происходит гамма - излучение, представленное зрительно голубоватым свечением.

Используя принцип Гюйгенса, можно прийти к таким результатам: каждая точка, на пути заряда, движущегося равномерно и прямолинейно, служит источником сферической волны, испускаемой в момент прохождения через неё заряда. При условии сверхзвуковой скорости заряда, эти сферы имеют общую огибающую - конус с вершиной, совпадающей с мгновенным положением заряда, причём угол между волновым вектором излучаемых волн и скоростью заряда определяется выражением: cos q--=--c / n v.

Франк и Тамм рассмотрели движение заряда не в вакууме, а в среде и рассчитали излучение заряда q, движущегося со скоростью v в среде с показателем n. В результате было получено выражение cos q--=?c / n v, а также найдена мощность излучения в единицу времени:

d?w/?d--t =q²v/c

Согласно этой теории, гамма-квант поглощается электроном в жидкости, в результате чего он вырывается из родительского атома. Если возбуждающий луч обладает достаточно большой энергией, выбитый электрон вылетает с очень большой скоростью. Замечательной идеей Франка и Тамма было то, что излучение Черенкова возникает, когда электрон движется быстрее света. Других, по всей видимости, удерживал от подобного предположения фундаментальный постулат теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которому скорость частицы не может превышать скорости света. Однако подобное ограничение носит относительный характер и справедливо только для скорости света в вакууме. В веществах, подобных жидкостям или стеклу, свет движется с меньшей скоростью. В жидкостях электроны, выбитые из атомов, могут двигаться быстрее света, если падающие гамма-лучи обладают достаточной энергией.

Конус излучения Черенкова аналогичен волне, возникающей при движении лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде.

Доказательство того, что эффект Вавилова - Черенкова происходит только при сверхзвуковых скоростях служат факты:

1 - в отличие от люминесценции, не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения

2 - излучение имеет поляризацию с преимущественной ориентацией вектора напряжённости электрического поля вдоль направления первичного пучка

3 - свечение наблюдается у всех чистых прозрачных жидкостей, причём его яркость мало зависит от их химического состава

4 - излучение имеет пороговый характер (оно не вызывается рентгеновскими лучами с максимальной энергией 30 КэВ)

5 - при движении в каналах, щелях ионизационные потери исключаются, а свечение продолжается

Эффект Вавилова - Черенкова нашёл широкое применение в физике. С помощью него можно рассчитать скорость заряда, можно определить угол, отличать частицы с элементарным зарядом от заряженных ядер. "Черенковские счётчики" используются в физике высоких энергий (наблюдение нейтрино), в космических ускорителях.

В настоящее время из объекта исследования эффект Черенкова превратился в инструмент исследования в различных областях современной физики. Разработанные на основе этого эффекта счетчики (счетчики Черенкова) с успехом применяются для регистрации быстрых заряженных частиц: протонов, мезонов в космических лучах. При помощи этих счетчиков были открыты новые частицы - антипротон и антинейтрон.

Экспериментаторы:

Павел Алексеевич ЧЕРЕНКОВ (15 (28).07.1904) - родился 15 июля 1904 г. в селе Новая Чигла Воронежской области. Черенков - советский физик, академик АН СССР. Профессор Московского инженерно-физического института. В 1934 при исследовании люминесценции жидкостей П. А Черенков обнаружил новый оптический эффект, проявляющийся в своеобразном свечении вещества под действием заряженных частиц сверхсветовой скорости. За открытие этого эффекта ему в 1958 г. была присуждена Нобелевская премия.

Сергей Иванович ВАВИЛОВ (12 (24).03.1891 - 25.01.1951) - родился 12 марта 1891 г. в Москве. Вавилов - советский физик, государственный и общественный деятель, академик АН СССР. В 1932 г. стал научным руководителем Государственного оптического института. В 1945 г. был избран президентом АН СССР. Основные научные труды посвящены вопросам физической оптики, особенно изучению природы люминесценции. В 1934 г. под его руководством П.А. Черенков открыл свечение чистых жидкостей под действием g - и b - излучения радиоактивных веществ.

Размещено на Allbest.ru