Черенков Павел Алексеевич

Технологический Университет
Колледж Космического Машиностроения и Технологий

Реферат по Естествознанию

Тема: «Черенков Павел Алексеевич».

Королёв 2015.

Содержание.

Введение………… ……………….……………………………...3

Глава 1.Биография………...……………………………………..4

Глава 2.Научная деятельность………………………………….5

§ 1. Открытие Эффекта.…………………………………………5

§ 2. Эффект Черенкова-Вавилова…………………………........6

§ 3. Черенковский счетчик……………………………………...9

Заключение…………….……………...………………………..10

Литература……………………..…………..…….…………......11

Введение.

При прохождении света через прозрачный материал, например стекло, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Как при перелете через континент с промежуточными посадками пассажир неизбежно теряет во времени по сравнению с беспосадочным перелетом, так и световые лучи затормаживаются, взаимодействуя с атомами среды, и не могут двигаться так же быстро, как в вакууме. Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы высоких энергий, не может двигаться со скоростью, равной скорости света в вакууме. Но к скорости движения в прозрачных средах это ограничение не относится. В стекле или в воде, например, свет распространяется со скоростью, составляющей 60-70% от скорости света в вакууме, и ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в такой среде.

В 1934 году Павел Черенков проводил исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения и обнаружил слабое голубое свечение (которое теперь названо его именем), вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Чуть позже выяснилось, что эти электроны двигались со скоростью выше скорости света в среде. Это был как бы оптический эквивалент ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолет, преодолевая звуковой барьер. Представить это явление нам поможет аналогия с волнами Гюйгенса (см. Принцип Гюйгенса), расходящимися вовне концентрическими кругами со скоростью света, причем каждая новая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица летит быстрее скорости распространения света в среде, она обгоняет волны. Пики амплитуды этих волн и образуют волновой фронт излучения Черенкова*.

Излучение расходится конусом вокруг траектории движения частицы. Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Это как раз и делает излучение Черенкова столь полезным с точки зрения физики элементарных частиц, поскольку, определив угол при вершине конуса, физики могут рассчитать по нему скорость частицы. В сочетании с результатами других замеров это позволяет обнаруживать элементарные частицы на своем оборудовании. В современных лабораториях детекторы Черенкова установлены в комплексе с другими измерительными приборами на огромных многоэтажных стеллажах. В качестве примера можно привести детектор «Супер-Камиоканде» в лаборатории г. Камиока в Японии, который вмещает 50 000 тонн воды и оснащен 11 000 светочувствительных элементов. Излучение Черенкова можно наблюдать и невооруженным взглядом на небольших исследовательских ядерных реакторах, которые часто устанавливают на дне бассейна для обеспечения радиационной защиты. Сердечник реактора в этом случае окружен эффектным голубым свечением — это и есть излучение Черенкова под воздействием быстрых частиц, излучаемых в результате ядерной реакции.

Поскольку анализ этого излучения сыграл важнейшую роль в зарождающейся экспериментальной ядерной физике, в 1958 году Черенков, совместно с Игорем Таммом (1895–1971) и Ильей Франком (1908–90), был удостоен Нобелевской премии по физике. Тамм и Франк в 1937 году окончательно установили механизм возникновения свечения под воздействием электронов, движущихся быстрее скорости света в среде (например, в воде), а вслед за тем предсказали вскоре обнаруженное излучение Черенкова в твердых телах и газах.

Глава 1. Биография.

Павел Алексеевич Черенков  родился 15(28) июня  1904г. с. Н. Чигла, ныне Воронежской области, советский физик, академик АН СССР (1970;чл.-корр. 1964). Член Коммунистической Партии Советского Союза с 1946.

В 1928 году Черенков окончил физико-математический факультет ВГУ и был направлен преподавать в школу в город Козлов, теперешний Мичуринск. Через два года в тот же город получила распределение Мария Алексеевна Путинцева, дочь Алексея Михайловича Путинцева — воронежского литературоведа-краеведа, профессора ВГУ, основателя дома-музея И. С. Никитина, тоже окончившая ВГУ, отделение русского языка и литературы педфака. В 1930 году Черенков женился на Марии Путинцевой. В 1932 году у них родился сын Алексей, в ­ 1936 году — дочь Елена. В ноябре 1930 года в Воронеже арестовали по делу краеведов Алексея Михайловича Путинцева. В самом конце того же года был «раскулачен» в Новой Чигле отец Павла Алексеевича — Алексей Егорович Черенков. В 1931 году Алексея Егоровича судили и отправили в ссылку. Его обвинили в принадлежности к партии эсеров и в участии в «кулацкой» сходке 1930 года. В 1937 году отца учёного вновь арестовали, в 1938 году осудили и расстреляли за контрреволюционную агитацию.

С 1930 работал в Физ. Институте АН СССР. Профессор Московского  Инженерно-Физического Института. В 1934 при исследовании люминесценции жидкостей обнаружил новый оптический эффект, проявляющейся в своеобразном свечении вещества под действием заряженных частиц  сверхсветовой скорости ( Эффект Черенкова). За открытие этого эффекта в 1958 г. Черенков присуждена Нобелевская премия совместно с И.Е.Таммом и И.М.Франком разработавшим его теорию. На основе изучения Черенкова – Вавилова созданы методы регистрации заряженных частиц (Черенковский счетчик).

Черенкову принадлежат так же работы по ядерной физике, физике частиц высоких энергий , по изучению космических лучей, разработке ускорителей электронов. Государственные премии СССР ( 1946, 1952, 1977 ). Награжден 2 орденами Ленина, 3 другими наградами , а так же медалями.[1]

Чрезвычайно важной заслугой Черенкова является сделанное им совместно с С. И. Вавиловым  открытие нового оптического свечение получившее название излучением Черенкова-Вавилова. В 1933г. С.И. Вавилов предложил П.А.Черенкову, бывшему тогда его аспирантом ,исследовать механизм люминесценции урановых соединений, возбуждаемых жестким - лучами. При проведении этих опытов П.А. Черенков обнаружил, помимо обычной люминесценции ураниловых солей, другое слабое синее свечение, энергия которого возрастала по мере продвижения в сторону коротких длин волн.[2]

Глава 2. Научная деятельность.

§ 1. Открытие Эффекта.

Вместе с С.И. Вавиловым  П.А. Черенков детально изучил  голубое свечение и установил, что оно обладает весьма своеобразными свойствами. Оказалось что под действием  γ –лучей голубое свечение возникает в любых прозрачных жидкостях и твердых телах. Интенсивность этого свечения при одинаковых условиях возбуждения во всех случаях была совершенно одинаковой. Спектральный состав излучения не зависел от химической природы облучаемого вещества. Излучение было поляризовано вдоль направления возбуждающего пучка и распространялось только вперед в виде конуса с полостью посередине. При этом ни одним из свойств, характерных для люминесценции, это свечение не обладало. Поэтому Вавилов пришел к выводу, что голубое свечение не является люминесценцией. Как выяснилось впоследствии, супруги Кюри еще раньше наблюдали такое свечение у различных чистых жидкостей, облучавшихся γ-лучами. Однако оно было ими принято за обычную слабую люминесценцию. Только благодаря глубокому знанию свойств люминесцирующих веществ С.И. Вавилов избежал повторения этой ошибки. С.И. Вавилов пришел к выводу, что это свечение вызывается не непосредственно сами –лучами, а свободными электронами, обладающими большими скоростями и возникающими при прохождении лучей через исследуемое вещество. Это предположение было затем подтверждено на опыте по отклонению светового пучка в магнитном поле. Направление этого отклонения однозначно доказало его электронную природу.[2]

§ 2. Эффект Черенкова – Вавилова.

Согласно классической электродинамике излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном т.е. неравномерном движении электронов или вообще заряженных частиц. При этом, однако, молчаливо предполагалось, что скорость излучающих частиц меньше скорости света. С другой стороны уже давно было известно, что в случае механических систем при равномерном  движении тела в среде со скоростью, превышающей скорость распространения упругих волн в этой среде, возникает особого рода волна. Летящая пуля сопровождается волной сгущения; именно эта волна и обусловливает характерный свист или вой, сопровождающий летящий снаряд. Всем, конечно, также хорошо известна «носовая волна» на поверхности воды, возникающая при быстром движении глиссера. Во всех этих случаях механизмы возникновения волны, т.е. механизм излучения равномерно движущегося тела – один и тот же.

Оказывается, что и равномерно движущийся в среде электрический заряд (в частности – электрон) может излучать электромагнитную волну, при условии, что скорость движения заряда  больше скорости света в данной среде. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о скорости света в среде, но не в пустоте значение этой оговорки состоит в том, что скорость света в пустоте см/сек, согласно теории относительности, есть предельная скорость: никакое тело не может двигаться со скоростью равной или большей этой скорости. Но скорость света в среде равна  c / n , где n – показатель  преломления – величина, большая единицы в области нормальной дисперсии и, поскольку c/n ˂c, ограничение, налагаемое теорией относительности, в случае движения в среде не имеет места. При этом говоря о скорости света,  мы имеем в виду фазовую скорость, т.е. скорость перемещения поверхности равной фазы.

Электромагнитные излучение, сопровождающее электроны, сопровождающиеся в среде со сверхсветовой скоростью, было открыто в 1934 г. П.А. Черенковым, работавшим под руководством С.И. Вавилова. По этой причине мы называем это излучение излучением Вавилова – Черенкова ( В литературе это излучение часто называется просто излучением Черенкова. ). Первоначальная задача Черенкова состояла в исследовании свечения растворов под действием γ-лучей радия. Видимое свечение жидкостей под действием радиоактивных излучений наблюдалось еще Марией Кюри приблизительно за 25 до работы Черенкова. Однако Кюри приписывала это свечение обычной люминесценции. Также и в работах французского физика Малле ( 1926-1929 гг.), которые впрочем, не были известны Черенкову, это свечение не получило правильной интерпретации.

Выполняя исследование свечения растворов под действием γ-лучей радия, Черенков показал, что наряду с люминесценцией раствора наблюдается слабое свечение растворителей. Оказалось, что такое свечение обнаруживают вообще все чистые жидкости – вода, бензол и другие.

Но наиболее важный результат этих первых исследований состоял в доказательстве того, что это слабое свечение не является люминесценцией. Это было важно потому, что многие весьма чистые жидкости, например вода, под действием ультрафиолетового освещения дают слабое синее свечение, которое по всем своим свойствам несомненно должно быть отнесено к люминесценции. Между тем некоторые свойства свечения под действием γ-лучей радия, изучавшегося Черенковым, резко отличали его от люминесценции. Эти особые свойства в следующем: люминесценция растворов «гасится» некоторыми примесями, присутствующими в растворе в малых концентрациях (йодистый калий, анилин и др.) – свечение чистых жидкостей под действием γ-лучей такого гашения не испытывает; далее свет люминесценции обнаруживает определённую поляризацию, которая также может быть ослаблена теми же «тушителями» или просто нагреванием – свечение Черенкова такого  влияния на поляризацию не испытывает. Все это указывало, что в отличии от люминесценции, которая характеризуется конечной длительностью ( - сек), свечение Вавилова – Черенкова является «мгновенным». Наконец, вскоре было показано также, что излучение вызывается не самими γ-лучами, имеющими электромагнитную природу, но создаваемыми ими в веществе электронами: излучение с теми же особыми свойствами вызывалось также потоком быстрых электронов в виде β-лучей радиоактивных веществ.  Особенно важно было то, что, как показали дальнейшие опыты, излучение Вавилова-Черенкова обладает определенной направленностью: оно испускается только вперед под определенным углом к направлению распространения γ-лучей, тогда как свет люминесценции излучается равномерно по всем направлениям.

Это свойство и легко в основу правильного объяснения свечения Вавилова – Череноква, как свечение вызываемого электронами, движущимися со сверхсветовой скоростью. Такое объяснение было дано И.М. Франком и И.Е. Таммом в 1937г.

Чтобы понять каким образом может возникнуть электромагнитное излучение при быстром движении электрона в среде, рассмотрим сначала вопрос качественно. Пусть электрон движется в среде, которую мы предположим жесткой, что бы не осложнять условия рассмотрения, т.е. пусть это будет, например, стекло. Представим  траекторию полета электрона AB. Молекулы среды мы может считать сферическими. Но вокруг движущегося заряда, например в точке P , среда поляризуется: молекулы деформируются так, что положительные заряды смещаются по направлению к движущемуся электрону, а отрицательные – в противоположном направлении;  при этом молекулы приобретают свойства элементарных диполей, определенным образом ориентированных относительно P . При переходе из P в другую точку траектории, например P’, поляризация в P исчезает, что ведет к возникновению короткого элементарного импульса. Однако вследствие полной симметрии  поляризации как относительно оси PP’, так и по азимуту относительно точно P , поле на больших расстояниях, а следовательно и излучение, будут отсутствовать.

Теперь следует принять во внимание, что исчезновение поляризации происходит не мгновенно, но требует некоторого времени (время релаксации). Если же электрон движется со скоростью, близкой к скорости света в среде, то это может повести к нарушению симметрии поляризации среды. Поляризация в области, где находился раньше, еще не успеет исчезнуть, тогда как в области P поляризация уже установится. Это нарушение симметрии поведет к тому, что в каждой точке пути электрона будет возникать мгновенный электромагнитный импульс, создающий такое поле также и на больших расстояниях. Однако для того, что бы из этих мгновенных некомпенсированных  импульсов сложилась распространяющаяся в пространстве волна, между импульсами, возникающими в различных точках траектории электрона, должно выполнятся определенное условие когерентности.[3]

§ 3 . Черенковский счетчик.

Черенковский счётчик – детектор быстрых заряженных элементарных частиц, регистрирующий их по черенковскому излучению, испускаемому средой детектора при движении в ней этих частиц.

Черенковское излучение (или излучение Вавилова-Черенкова) возникает при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью v большей скорости света в этой среде, т.е. при v > c/n, где с – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления среды. Это излучение было открыто в 1934 г. П.А. Черенковым и объяснено там же в 1937 г. И.Е. Таммом и И.М. Франком (все трое за это открытие удостоены Нобелевской премии в 1958 г.).

Черенковское излучение является совместным излучением множества атомов среды, расположенных вдоль траектории движения частицы и поляризованных её электрическим полем. Таким образом, непосредственно излучает не частица, а среда. Волновой фронт этого излучения представляет собой поверхность конуса, вершиной которого является частица, а осью – её траектория. Угол раствора конуса theta фиксирован и определяется скоростью частицы и свойствами среды. Ситуация похожа на ту, которая возникает на поверхности воды при движении катера. Катер, выполняющий в этом примере роль частицы, создает волну возмущения водной поверхности, фронт которой образует острый угол, вершиной которого является катер.

Энергия частицы, конвертируемая в черенковское излучение, мала по сравнению с энергией, которую она тратит на ионизацию и возбуждение атомов среды. Число фотонов, излучаемых на 1 см пути, в зависимости от среды (радиатора) колеблется от нескольких единиц до нескольких сот. Это излучение можно наблюдать визуально и регистрировать с помощью фотоплёнки или фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), преобразующего энергию излучения в электрический сигнал. На цветной фотоплёнке, расположенной перпендикулярно направлению движения частицы, излучение, выходящее из радиатора, имеет вид кольца сине-фиолетового цвета.

Черенковский детектор состоит из прозрачного радиатора (он может быть твёрдым, жидким или газообразным), оптической системы, обеспечивающей “сбор и доставку” черенковских фотонов к ФЭУ и самих ФЭУ. Длительность сигнала черенковского счетчика ≈10-9 сек.

Зависимость угла излучения θ от β = v/c позволяет, определяя этот угол, найти скорость и энергию частицы. С помощью черенковского детектора можно регистрировать частицы с энергиями вплоть до 100 ГэВ.

Черенковский счетчик позволяет эффективно выделять высокоэнергичные релятивистские частицы на уровне большого фона низкоэнергичных частиц.

Заключение

Излучение Черенкова является примером оптики «сверхсветовых» скоростей и имеет принципиальное значение. Излучение экспериментально и теоритически изучено не только в оптически изотропных средах, но и в кристаллах (оптически анизотропные среды), теоретически рассмотрено излучение электрических и магнитных диполей и мультиполей. Новые возможности приобретает  Доплера эффект в среде.

Теоритические представления, лежащие в основе излучения, тесно связаны с другими явлениями имеющими значение в современной физике (волны Маха в акустике, вопросы устойчивости движения частиц в плазме и генерации в ней волн, некоторые проблемы теории ускорителей частиц, а так же генерация т усиление электромагнитных волн).

Литература.

1 - «Большая Советская Энциклопедия»  глав. Редактор  А.М. Прохоров. Члены главной редакции: Н.К. Байбаков, В.Х. Василенко, Л.М. Володарский и другие. 1978г. Москва. Издательство «Советская Энциклопедия». Третье издание. Том 29. Стр.70. колонка 197. «Черенков Павел Алексеевич».

2- « Основатели советской физики» м., «Просвещение». 1970г. ( книга написана большим коллективом ученых из АН СССР , ИАЭ им. И.В.Курчатова, МГУ им Ломоносова и других вузов страны). Часть 2 «Выдающиеся деятели советской науки». Глава 5 «Сергей Иванович Вавилов» стр.184.

3- «Атомная физика»  Э.В. Шпольский том первый, Введение в Атомную физику. Издание шестое, исправленное. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. Москва  1974. Глава 5.Часть Б. Параграф 79. Страница 257.