Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 170
Текст из файла (страница 170)
ФОТОлюминноценция как вынужденные световые колебания, длящиеся лишь постольку, поскольку есть вынуждающее свечение, и исчезающие практически за время, соизмеримое с периодом вынуждающих световых колебаний, т.е. примерно за время т ~ 10 14 с. Для люминесценции же в собственном смысле слова характерна несравненно бблыпая длительность послесвечения. В соответствии с этим С.И. Вавилов предложил определять люминесцениию как свечение, представляющее избыток над температурным излучением при условии. что такое избып1очное излучение обладает длительность~о, значительно превышающей период световых колебаний Данное определение однозначно отличает люминесценцию от всех других видов свечения и дает возможность надежного экспериментального установления люминесцентного характера свечения.
Для этой цели не требуется производить сложные определения времени свечения. Достаточно убедиться, что оно не слишком мало. А для этого можно провести опыты по тушению предполагаемой люминесценции подходятцим тушителем. Для тушения необходимо, чтобы длительность возбужденного состояния была заведомо больше среднего времени между соударениями с молекулами тушителя. Время это при не слишком малых концентрациях возбужденных молекул и тушащего вещества не меньше 10 11 — 10 1' с. Поэтому нелюминесцентные. т.е. '1резвычайно быстро прекращающиеся (т < 10 14 с) виды свечения не успевают испытать тушение.
Этот критерий в руках самого Вавилова позволил ему в нескольких важных случаях решить вопрос о люминесцентном или нелюминесцентном характере свечения. 5 219. Излучение Вавилова — ~черенкова Особенно важное значение имеет случай специального свечения, наблюдаемого под действием радиоактивных излучений (р'- и у-лучи).
Как показал П.А. Черенков (1934 г.), работавший под руководством С.И. Вавилова, свечение такого рода возникает у весьма разнообразных веществ, в том числе и у чистых жидкостей. Обнаружив, что это свечение не испытывает тушения, Вавилов пришел к мысли, что оно не является люминесценцией, как считалось ранее, и связал его происхождение с движением электронов через вещество. Полное разьяснение явления было дано в теоретическом исследовании И.Е. Тамма и И.М. Франка (1937 г.) „которые показали, что свечение должно иметь место, если скорость электрона превосходит фазовую скорость света в данном веществе. Пусть электрон движется равномерно со скоростью и вдоль линии ОЛ (рис.
39.10) сквозь какое-нибудь вещество, например воду. При движении электрона сквозь вещество имеется, конечно, взаимодействие электрона с атомами вещества, в результате которого часть энергии электрона может передаваться атомам, вызывая их ионизацию или возбуждение. Однако в данном вопросе нас интересуют не эти виды потерь энергии электроном. Как показывает детальное рассмотрение электрического поля, создаваемого движущимся элек- .1!юминесцеещия троном, могут иметь место и иные формы растраты энергии электроном, Наиболее ясно это выступает, если рассмотреть случай, который был указан Л.И. Мандельштамом.
Пусть электрон со значительной скоростью движется по оси пустотелого канала, проделанного в веществе, так что он не испытывает непосредственных столкновений с атомами вещества. Оказывается, однако, что если диаметр ,М канала значительно меньше длины волны света, то все О 6 же электрон теряет энергию а А У В С А в виде световой радиации сквозь поверхность, охватыРис. 3930. К теории излучения Вани- вающую ось цилиндрического лова,— Черенкова: ОА = АВ = ВС =... канала. При этом мы можем ... = а = ит, М'А — положение фронта для простоты считать среду волны, излучешюй из О, к моменту т, вполне прозрачной, так что когда электрон достигает положения А поток радиации беспрепят- ственно проходит через нее.
Излу гаемая энергия, конечно, заимствуется из энергии движущегося электрона, скорость которого должна уменьшаться вследствие торможения электрона в его собственном поле. Именно это излучение и представляет собой в чистом виде излучение Вавилова †Черенко. Расчет показывает, что рассматриваемое излучение и связанное с ним торможение возникают только в том случае, когда скорость электрона и больше фазовой скорости света в среде с, и прекращаются, когда скорость электрона уменьшается до этой скорости (т.е.
и = с). Рассчитав электрическое и магнитное поля движущегося со «сверхсветовойэ скоростью электрона и образовав вектор Пойнтинга, можно вычислить поток радиации, излучаемой электроном. При этом обнаруживается своеобразное распределение излучения в пространстве в виде узкого конического слоя, образующая которого составляет с осью движения угол О, так что сов 0 = с/н, где с = св/и-- фазовая скорость света; излучение оказывается поляризованным так, что его электрический вектор лежит в плоскости, проходящей через направление движения электрона. Все эти выводы теории оказались в хорошем соответствии, не только качественном, но и количественном, с результатами наблюдения свечения Вавилова — Черенкова. Наиболее своеобразную особенность рассматриваемого излучения — его угловое распределение и необходимость соблюдения условия ю > со/и = с можно получить из довольно общих соображений.
Представим себе электрон, движущийся со скоростью и вдоль линии Ог (см. рис. 39.10), служащей осью узкого пустотного канала в однородном прозрачном веществе с показателем преломления и. Каждая точка линии ОЛ, последовательно занимаемая движущимся электроном, является центром испускания света, но с запозданием, определяемым величиной т = а/и, где а — расстояние между двумя рассматриваемыми положениями электрона.
Для того чтобы все волны, исходящие из этих последовательных положений, усиливались в результате взаимной интерференции, необходимо. чтобы разность фаз между ними была равна нулю при любом значении а. Из рис. 39.10 1'л. ххх1х. ФОТОлюми11есценция нетрудно увидеть, что это будет иметь место для направления, составляющего угол 0 с направлением движения электрона, причем 0 определяется из условия асовд а с и откуда с сов0 = —. Действительно, фронт волны.
исходящей из О, достигает положения АМ', где А — новое положение электрона, через время ОМ'/с = = а сов О/с; электрон же достигнет точки А через промежуток времени т = а/и. Если указанные промежутки времени совпадают, а сов 0/с = = а/о, то волна из О и волна из А окажутся в одной фазе, каково бы ни было а. Итак, мы видим, что направление максимальной интенсивности определится углом 0 образующей конуса с его осью ОХ,„удовлетворяющим условию соэ 0 = с/ю. Если ю < с, т.е.
скорость электрона ниже фазовой скорости света, то соответствующее направление 0 невозможно. Наоборот, при ю > с угол 0 имеет вполне определенное значение, зависящее от скорости электрона ~с) и показателя преломления среды (и,) в согласии с полной теорией и опытными данными. Легко видеть также, что если условие сов 0 = с/о не соблюдается, то мы можем всегда разбить траекторию ОХ, на такие отрезки а, чтобы разность хода между волнами, исходящими из соответствующих двух соседних отрезков ~т.е. из точек, разделенных расстоянием а), была равна ~Л/2. Иными словами, должно выполняться условие а сов 0 а Л с — с — = с —, с с 2' откуда а=~ Ло 2(о сов 0 — с) При соблюдении этого условия свет, исходящий из соответствующих точек соседних участков, будет гаситься вследствие интерференции, и по данному направлению излучение распространяться не будет. Таким образом, единственное направление, по которому в силу взаимной интерференции волн может распространяться излучение, есть направление, определяемое условием сов 0 = с/и, имеющим смысл только в случае движения со сверхсветовой скоростью (и ) с).
Конечно, в реальном опыте световой конус не будет бесконечно тонким, ибо поток летящих электронов имеет конечную апертуру и известный разброс скоростей и, равно как и показатель преломления и имеет несколько различные значения для разных длин волн видимого интервала. Все это дает более или менее узкий конический слой около направления, определяемого условием сов 0 = с/ю. Эффекты, сходные с излучением Вавилова — Черенкова, хорошо известны в области волновых явлений. Если, например, судно движется по поверхности спокойной воды ~озера) со скоростью, превышающей скорость распространения волн на поверхности воды, то возникающие .1! ЮМИ НЕ С ЦЕЕЩИЯ под носом судна волны, отставая от него, образуют плоский конус волн, угол раскрытия которого зависит ог соотношения скорости судна и скорости поверхностных волн.
При движении снаряда или самолета со сверхзвуковой скоростью возникает звуковое излучение («вой»), законы распространения которого также связаны с образованием так называемого «конуса Маха». Явления эти осложняются нелинейностью аэродинамических уравнений. В 1904 г. Зоммерфельд рассчитал электродинамическое (оптическое) излучение подобного рода, которое должно возникать при движении заряда со скоростью, превышающей скорость света. Однако через несколько месяцев после появления работы Зоммерфельда создание теории относительности сделало бессмысленным рассмотрение движения заряда со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, и расчеты Зоммерфельда казались лишенными интереса.
Физическая возможность появления свечения Вавилова — Черенкова связана с движением электрона со скоростью, превышающей фазоврю скорость световой волны в среде, что не стоит ни в каком противоречии с теорией относительности.
Таким образом, излучение Вавилова — Черенкова является совершенно новым и крайне интересным видом свечения, впервые открытым советскими исследователями. Излучение Вавилова — Черенкова нашло разнообразные применения в экспериментальной ядерной физике и физике элементарных частиц. Несмотря па чрезвычайную слабость свечения, приемники света достаточно чувствительны, чтобы зарегистрировать излучение, порожденное единственной заряженной частицей. Созданы приборы. которые позволяют по излучению Вавилова — Черенкова определять заряд, скорость и направление движения частицы, ее полную энергию. Практически важно применение излучения Вавилова — Черенкова для контроля работы ядерного реактора. я 220.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
