§ 25. ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА — ЧЕРЕНКОВА

Заряженная частица, двигаясь внутри диэлектрика с постоянной скоростью, создает вдоль своего пути локальную поляризацию его атомов. Сразу же после прохождения заряженной частицы поляризованные атомы возвращаются в исходное состояние и излучают электромагнитные волны. При определенных условиях эти волны складываются и наблюдается излучение. Это явление получило название эффекта Вавилова—Черепкова.

Скорость света в среде меньше, чем в вакууме, в отношении с где показатель преломления среды, поэтому частицы могут двигаться со скоростью, превышающей скорость распространения излученных ими электромагнитных волн. При малых скоростях частицы возникающая поляризация распределена симметрично относительно местонахождения частицы, так как она «успевает» поляризовать и те атомы, которые находятся впереди

нее. Результирующее электромагнитное поле в этом случае будет равно нулю, так как волны, испускаемые во всех участках траектории, гасят друг друга.

Когда скорость частицы превышает фазовую скорость света в среде наблюдается эффект запаздывающей поляризации среды, в результате чего диполи ориентируются преимущественно вдоль движения частицы, и волны, испускаемые на различных участках, могут оказаться в фазе. Таким образом, в отдаленных точках будет существовать результирующее поле, причем излучение будет наблюдаться лишь под определенным углом 8 относительно траектории частицы, при котором волны будут когерентны и образуют плоский волновой фронт.

Рис. 57. Возникновение излучения Вавилова — Черенкова при движении заряженной частицы

Возникновение черенковского излучения аналогично появлению волн за пароходом или ударных волн за сверхзвуковым самолетом. Образование фронта плоской волны в результате сложения волн, возбуждаемых отдельными диполями, иллюстрирует рис. 57 Волны, испускаемые диполями при прохождении частицы от А до В, образуют волновой фронт Условие усиления излучения в определенном направлении состоит в том, что время, необходимое волне для прохождения пути должно равняться времени, в течение которого частица дойдет от А до Отсюда

Поскольку не может быть больше единицы, излучение может возникнуть только при наличии среды с Легко видеть, что для Среды с показателем преломления существует пороговая скорость ниже которой не происходит излучения. Диапазон относительных скоростей, при которых наблюдается черенковское излучение, в данной среде определяется неравенством

По величине угла 8 можно определять скорости частиц Например, для воды Для электронов условие выполняется уже при энергии

Максимальный угол, под которым наблюдается в воде черенковское свечение, находится из условия

и равен 41,5°.

Число фотонов в интервале частот от до испускаемых под углом 8 к траектории частицы с единичным зарядом и скоростью в среде с показателем преломления определяется соотношением, вытекающим из теории этого эффекта, разработанной Франком и Таммом

Основная энергия излучения концентрируется в коротковолновой части электромагнитного спектра. Вообще же доля энергии, теряемой заряженной частицей на черенковское излучение, незначительна и составляет всего несколько процентов от других потерь. Однако этот эффект нашел широкое применение для детектирования быстрых частиц, определения их скорости, направления движения и т. п.