Сегодня мы поговорим о явлении, которое физики называют «эффект Черенкова».
В 1934 году советский физик Павел Алексеевич Черенков проводил рутинные и скучные эксперименты с радиоактивными материалами. И так получилось, что наполненная водой из колодца бутылка оказалась под воздействием очень мощного потока альфа- и бета-излучения. По сути, это заряженные частицы. Ядра гелия и, соответственно, очень быстро движущиеся электроны.
Павел Алексеевич сидел и печатал какой-то стандартный отчёт. И вдруг почувствовал, что в лаборатории что-то неуловимо изменилось. Черенков резко развернулся на кресле и изумлённо замер. Его замешательство было объяснимо: бутылка с ключевой водой вдруг начала светиться голубоватым светом…
Рекомендую превосходную книгу👇
Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543
Это явление впоследствии было названо «эффект Черенкова». За это открытие учёный получил Нобелевскую премию по физике в 1958 году.
Чтобы понять, с чем связано это интересное явление, позвольте мне, дорогой читатель, кратко напомнить Вам некоторые сведения о звуковых ударах и звуковом барьере.
Звуковой барьер
Как Вы, наверное, знаете, когда объект движется быстрее звука в определённой среде, например в воздухе, говорят, что он преодолел «звуковой барьер». В этот момент раздаётся громкий хлопок, называемый «звуковым ударом».
Он возникает так: когда объект движется по воздуху, он как бы «толкает» воздух перед собой. И этот воздух «заполняет» пространство, которое объект оставляет позади. Давление непосредственно перед объектом немного увеличивается, а позади немного уменьшается. Таким образом, создаётся небольшая волна давления. Если бы Вы могли наблюдать за молекулой воздуха в тот интервал времени, когда наш объект пролетал мимо, то увидели бы, что она совершила своего рода возвратно-поступательное движение. То есть сместилась, а затем возвратилась примерно в исходное положение. И чем быстрее будет двигаться объект, тем быстрее будет двигаться молекула.
Но когда объект движется быстрее звука, все становится сложнее. В этот момент небольшие «пики» давления, возникающие при продвижении объекта, не успевают от него уйти до возникновения следующего пика. Они как бы «накапливаются», образуя некую «интерференционную конструкцию», порождённую «сверхпиком» давления. Именно так рождается ударная волна, возникающая при переходе через звуковой барьер.
Быстрее света
Если всё понятно, то давайте перейдёт дальше. И для начала слово «звук» заменим на слово «свет». Что произойдёт, если Вы будете двигаться быстрее скорости света в определённой среде? «Мини-световые волны», которые Вы будете создавать, тоже не успеют уйти от Вас, и тоже создадут какой-то интерференционный эффект.
В данном случае появится не громкий гул. А электромагнитная волна. Это и есть знаменитое черенковское излучение.
Я почти уверен, что Ваш первый вопрос после прочтения всего вышесказанного будет примерно таким: «Но как, ёк макарёк! Что значит «двигаться быстрее скорости света»? Это невозможно!».
Дело в том, свет распространяется в разных средах с разной скоростью. Невозможно превысить лишь скорость света в вакууме. То есть 300 000 км/с.
В воде, например, свет движется со скоростью 225 000 км/с. Поэтому, например, никакой даже самый продвинутый электрон не может двигаться быстрее света в вакууме. Однако вполне может обгонять фотоны в воде. Таким образом электрон, движущийся в воде со скоростью 250 000 км/с, может производить столь же странные явления, как звуковой удар, но связанный со светом, а не со звуком.
В этом случае процесс выглядит следующим образом: когда электрон или любая другая заряженная частица проходит через какую-то изолирующую среду, он изменяет электрическое поле вокруг себя. При прохождении электрона самые ближайшие электроны близлежащих атомов отталкиваются от него. Но когда он «проходит мимо», электроны возвращаются в исходное положение. Поскольку атом, в состав которого ни входят, никуда не девается. Когда электрон проходит, в окружающих электронах возникает возвратно-поступательное движение. Нечто подобное происходит, если это положительно заряженная альфа-частица. Только наоборот. Электроны смещаются в другую сторону.
Эффект Черенкова
Идём дальше. Любая ускоряющаяся заряженная частица испускает электромагнитное излучение. То есть движение электронов вперёд и назад по мере прохождения заряженной частицы порождает серию электромагнитных волн. Согласитесь, это похоже на звуковые волны, возникающие, когда тело движется в воздухе. И точно так же, как и в случае со звуком электромагнитные мини-волны интерферируют друг с другом.
Итак, что мы имеем в итоге: вода начинает излучать электромагнитную волну, которую можно обнаружить снаружи, эквивалентную звуковому удару. Это и есть черенковское излучение.
Пара уточнений: во-первых, это явление возникает только при движении заряженных частиц через изолирующую среду. В проводниках внешние электроны атомов свободно перемещаются по всему телу. Поэтому в них описанные выше скачкообразные движения электронов происходить не могут. Во-вторых, двигаться быстрее света в воде можно. Но сделать это не очень просто. Поскольку заряженные частицы должны иметь очень большие скорости. Так что не нужно пытаться пропускать электрический ток через бутылку с водой. Ничего у Вас не получится.
Наконец, черенковское излучение – это не просто свет. Это электромагнитное излучение разных частот. В основном это ультрафиолетовая часть спектра. И на самом деле большая его часть не видна человеческому глазу. Лишь когда оно имеет очень высокую интенсивность, мы видим самую низкую его частоту. Поэтому черенковское излучение имеет таинственный голубоватый цвет.
Бассейны ядерных реакторов светятся именно этим цветом.
Практическое применение
Эффект Черенкова кажется очень необычным явлением. И его редко можно наблюдать в быту. Однако он имеет множество применений. Используется, например, черенковское излучение, для оценки скорости деления в реакторах. Поскольку чем больше число делящихся ядер в секунду, тем больше количество испускаемых частиц и больше интенсивность черенковского излучения.
Используют интересный эффект и при астрофизических наблюдениях: когда в атмосферу попадают, например, гамма-излучение из космоса, появляются настоящие каскады высокоэнергетических нестабильных частиц. Многие из этих частиц заряжены и движутся очень быстро: со скоростью до 99,997% скорости света в вакууме. Настолько быстро, что производят черенковское излучение. Следовательно, можно проанализировать характеристики этого излучения, чтобы выяснить, какие именно частицы образовались.
Черенковское излучение – это очень интересное явление, которое показывает нам, насколько странной может быть Вселенная, если условия немного отличаются от тех, к которым мы все привыкли в повседневной жизни.
Всем добра!
Подборки статей от авторов канала👇
