Излучение Черенкова

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/cerenkov-radiation/
  • Перевод
Излучение Черенкова можно назвать физикой XIX века, случайно пробравшейся в XX-й. Его могли предсказать (и до какой-то степени это сделал физик Хевисайд) в 1880-х, но этот эффект был обнаружен случайно, возможно, Марией и Пьером Кюри. Его тщательно изучал Павел Черенков в 1930-е годы, а через несколько лет эффект подробно объяснили Илья Михайлович Франк и Игорь Евгеньевич Тамм. Три этих физика получили за изучение этого явления нобелевскую премию в 1958 году.

Прим. перев.: в англоязычных источниках почти всегда при описании излучения Черенкова авторы спешат упомянуть чету Кюри и то, что они ещё в начале XX века вроде бы наблюдали некое голубое свечение в своих опытах с радием. При этом обычно источника этой информации они не указывают; в редких случаях пишут, что информация получена на основании прочтения художественной книги, биографией четы Кюри, написанной их дочерью, Евой.

А в самой биографии о голубом свечении сказано только вот что:

«И среди темного сарая стеклянные сосудики с драгоценными частицами радия, разложенные, за отсутствием шкафов, просто на столах, на прибитых к стенам дощатых полках, сияют голубоватыми фосфоресцирующими силуэтами, как бы висящими во мраке.» // «Пьер и Мария Кюри», пер. с французского С. А. Шукарев, Евгений Федорович Корш, изд. 1959 г.


Что это было за наблюдение? Черенков изучал голубой свет, появлявшийся в тот момент, когда радиоактивные объекты (содержащие атомы, чьё ядро распадается на другие ядра, выплёвывая частицы высокой энергии, среди которых встречаются электроны и позитроны) размещались рядом с водой и другими прозрачными материалами. Сейчас мы знаем, что любая электрически заряженная частица, такая, как электрон, движущаяся с достаточно высокой энергией через воду, воздух или другую прозрачную среду, будет испускать голубой свет. Свет этот движется от частицы под определённым углом к направлению её движения.

Что происходит? Как поняли Франк и Тамм, это фотонный удар, аналогичный звуковому удару, происходящему, когда сверхзвуковой летательный аппарат движется быстрее скорости звука, или волнению, которое создаёт судно, идущее по воде. Свет в прозрачной среде будет двигаться со скоростью, отличающейся от скорости света в вакууме из-за взаимодействия между светом и заряженными частицами (электронами и ядрами атомов), составляющими эту среду. К примеру, в воде свет перемещается примерно на 25% медленнее, чем в вакууме! Поэтому электрону высокой энергии легче перемещаться быстрее, чем свет перемещается в воде, и при этом не превышать скорости света в вакууме. Если такая частица идёт через воду, она создаёт электромагнитную взрывную волну, похожую на взрывную волну, создаваемую сверхзвуковым самолётом в плотном воздухе. Эта волна исходит от частицы, так же, как звуковая волна исходит от самолёта, и переносит в себе энергию во многих формах (длинах волн) электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создаётся больше, чем на красном, поэтому свет для наших глаз и мозга выглядит в основном голубым.

Такое излучение чрезвычайно полезно в физике частиц, ибо оно даёт прекрасный способ обнаружения частиц высокой энергии! Мы не только можем видеть присутствие заряженных частиц высокой энергии благодаря испускаемому ими свету, мы можем постичь гораздо больше, изучая подробности этого света. Точная схема излучения может помочь определить (а) по какому пути частица следует в среде, (б) сколько энергии она переносит, и даже (в) кое-что по поводу её массы (поскольку электроны будут рассеиваться в среде, а более тяжёлые частицы будут вести себя по-другому). Несколько очень важных экспериментов, включая и те, что впоследствии получили нобелевку, основываются на этом излучении. Среди них эксперименты, сыгравшие главную роль в изучении нейтрино, например, Супер-Камиоканде.

Излучение Черенкова также очень полезно при проверках правильности описания природы эйнштейновской теорией относительности. Космические лучи – частицы, летящие из глубокого космоса (часто сталкивающиеся с чем-нибудь в атмосфере и порождающие каскады частиц, которые можно обнаружить детекторами на земле), в редких случаях могут обладать чрезвычайно высокой энергией – в 100 миллионов раз большей, чем энергия протонов в Большом Адронном Коллайдере. Эти частицы (насколько мы знаем) были созданы на расстоянии многих световых лет от Земли в таких мощных астрономических событиях, как сверхновые. Предположим, что скорость света была бы не универсальным ограничением скорости, и эти частицы перемещались бы быстрее света в вакууме космоса. Тогда эти высокоэнергетические частицы также вызывали бы излучение Черенкова. А поскольку их путь был таким долгим, они потеряли бы много энергии на это излучение. Оказывается, что эта потеря энергии может происходить очень быстро, и что эти частицы в таком случае не могли бы преодолеть астрономические расстояния и сохранить такие высокие уровни энергии, если только их скорость не оставалась меньше, чем скорость света.

Короче говоря, если бы космические лучи сверхвысоких энергий могли двигаться быстрее света, тогда мы не могли бы наблюдать никаких космических лучей с такой энергией, ибо они должны были бы растерять всю свою энергию до того, как достигнут Земли. Но мы их наблюдаем.

Тут есть небольшой подвох: мы почти уверены, что большая часть их обладает зарядом: их свойства говорят о том, что они участвуют в сильном ядерном взаимодействии, а единственные стабильные частицы, способны пройти такие расстояния – это протоны, и вообще, ядра атомов, и все они обладают электрическим зарядом. Если даже воспользоваться этим подвохом, но ограничения можно немного ослабить, но они всё равно останутся довольно сильными.

Из этого можно заключить: космические лучи сверхвысоких энергий (а также вообще все космические лучи низких энергий) не могут двигаться быстрее скорости света, по крайней мере, сильно быстрее. И если это опережение существует, то его оценки, сделанные в конце 1990-х знаменитыми физиками Сидни Коулманом и Шелдоном Глэшоу, говорят, что эта величина может быть равной десяти частям из триллиона триллионов. С тех пор эти ограничения, вероятно, были улучшены благодаря данным экспериментов.

Точно так же, то, что мы можем наблюдать высокоэнергетические электроны, накладывает ограничение на их скорость по отношению к скорости света. Одно из последних заявлений, о которых я читал, говорит, что из наблюдений за электронами с энергиями до 0,5 ТэВ следует, что электроны не могут превышать скорость света больше, чем на одну часть из тысячи триллионов.
Поделиться публикацией
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама
Комментарии 27
  • 0
    Только наверно не
    На фиолетовом конце радуги энергии создаётся больше, чем на красном, поэтому свет для наших глаз и мозга выглядит в основном голубым.

    а
    Они обладают большей энергией в фиолетовой части видимого спектра,
    поэтому для наших глаз испускаемый свет выглядит голубым
    • +2

      На самом деле просто спектральная плотность мощности черенковского излучения падает от ультрафиолета к красному, поэтому свечение выглядит голубым.

    • 0
      Скорее всего то, что называют «голубоватыми фосфоресцирующими силуэтами», было люминисценцией.
      • 0
        Из последнего абзаца следует мысль, что скорость света можно превысить и это не нарушит законов причинности. В самом деле, пусть информация передается из точки А в точку Б. Как бы высока не была скорость передачи, к тому моменту когда она попадет в точку Б, событие в точке А уже произойдет.
        Так что небольшой звездолет, размером с автомобиль, на котором юный белокурый герой славянской внешности у Лукьяненко пересекает Галактический диск за 30 мин, попутно замочив парочку сверхцивилизаций, возможен.
        Пошел изобретать…
        • 0
          Легко превысить скорость света, особенно если этот свет замедлить или вовсе остановить
          • +4
            Только надо понимать, что никакого замедления или остановки нет. Скорость света всегда одна и та же в любых ситуациях. В среде свет проходит путь за большее время, чем если бы двигался без среды, но не потому, что его скорость меньше, а потому, что он какое-то время не существует как свет. Если упрощать, то фотон, двигаясь в воде поглощается молекулой воды, последняя переходит на более высокий энергетический уровень. В этот момент фотон перестаёт существовать. Через некоторое время молекула воды переходит в нормальное состояние с испусканием фотона. Это время надо вычитать из времени движения света в среде. Чем больше таких переизлучений и чем дольше атом/молекула существуют на более высоком энергетическом уровне, тем сильнее «замедляется» свет.
            • 0
              и как молекула воды может поглотить фотон и потом переизлучить его сохранив направление, частоту и возможно фазу оригинального излучения? Я почему-то думал что фотон может переизлучиться в любом направлении, а это уже рассеивание в среде, а не просто замедление.
              • 0
                Встречали среду без рассеивания?
                Я почему-то думал что фотон может переизлучиться в любом направлении
                Я тоже, но фотон нас почему-то не спрашивает куда ему переизлучаться.
                частоту
                Частота пропорциональна энергии. Энергия равна разности между уровнями в атоме.
                возможно фазу
                А возможно и нет.
                • +1
                  Потому что на самом деле фотон не поглощается (его энергия не равна нужной для перехода в возбуждённое состояние), а молекула на какое-то время переходит в метастабильное состояние и сразу «сбрасывает» фотон.
                  Более того, если молекула уже в возбуждённом состоянии — она может излучить два фотона или фотон суммарной энергии.
                • 0
                  В радиотехнике вовсю используют замедление (укорочение) ЭМВ. Берут вещество с диэлектрической проницаемостью >>1 и в корень квадратный получаем укорочение.
            • +5
              Не ожидал полного отсутствия иллюстраций в статье об оптически наблюдаемом физическом явлении (кстати, очень красивом).
            • 0

              Как и обычно в околонаучной, популярной прессе не могут толком ответить на главный вопрос: что (какой объект или объекты) конкретно излучает это черенковский свет?
              Рассуждения типа "любая электрически заряженная частица, такая, как электрон, движущаяся с достаточно высокой энергией через воду, воздух или другую прозрачную среду, будет испускать голубой свет. " — блин, это не частица излучает непосредственно, не она конкретно!
              Вторая фраза тоже ещё тот пёрл: "такая частица идёт через воду, она создаёт электромагнитную взрывную волну, похожую на взрывную волну, создаваемую сверхзвуковым самолётом в плотном воздухе. Эта волна исходит от частицы, так же, как звуковая волна исходит от самолёта "

            • 0

              что-то не так с логикой в статье — если бы существовали частицы, летящие быстрее света, мы бы их не наблюдали из-за излучения Черенкова, мы таких частиц не наблюдаем, значит таких частиц не существует… Чёрных лебедей нет, так как мы их не видели ниразу, а если бы они были, таможня их бы не пропустила и мы бы их не увидели, значит чёрных лебедей нет. Я не к тому, что что-то может лететь быстрее света, просто в статье либо что-то не досказали — может кто-то где-то предположил, что именно эти долетевшие частицы могли бы лететь быстрее света, либо неудачно приплели теорию относительности.

              • 0
                Иными словами, вывод из этого куска статьи можно было бы сделать совсем другой: «частицы быстрее света быть могут, но со старта быстро теряют энергию, замедляясь до досветовой скорости, после чего основную часть пути до нас преодолевают уже такими, досветовыми».
                • 0
                  Заряженные частицы… нейтральные, та же нейтрино — свет излучить не сможет.
                  • +2
                    Ни заряженные, ни нейтральные не излучают. Излучает возбуждённый этой энергичной частицей атом.
                    • 0
                      Эффект скорей как в лазере на свободных электронах
                      • 0

                        Ну наконец-то, кто-то правильно высказался!

                  • +1

                    Когда пишете "частицы, летящие быстрее света" всегда добавляйте в конце "в данном веществе". А то люди подумают, что имеются какие-то особые частицы летающие быстрее скорости света в вакууме.

                  • 0
                    Снимок из 1930-х годов
                    image
                    И современные
                    • 0
                      Короче говоря, если бы космические лучи сверхвысоких энергий могли двигаться быстрее света, тогда мы не могли бы наблюдать никаких космических лучей с такой энергией, ибо они должны были бы растерять всю свою энергию до того, как достигнут Земли. Но мы их наблюдаем.


                      Странная логика. Сначала говорится, что мы можем видеть лучи только медленные скорости света. Потом делается вывод, что раз мы не видим быстрых, то их и нет.
                      • –1

                        Все объяснить легче путем двух типов материи и закона сохранения энергии.это легко.даже энергия понятной станет.
                        Не обращайте внимание на правильность написания слов, а вдумайтесь в смысл.они еще поймут, какой идиот умнее оказался.
                        https://m.pikabu.ru/story/gravitatsiya_konets_sveta_bog_5366394

                        • +1
                          Если гравитация — движение частиц темной материи, то
                          Дальше не читал.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.