Черенкова -вавилова излучение. Излучение Вавилова–Черенкова

Британская и американская рабочие группы 10 лет назад уже доказали о наличии фото-пигмента в глазу человека. Он сигнализирует организму, наступил день или ночь, лето или зима. Фото-пигмент реагирует, в частности, на синий свет. Синий свет показывает организму как будто это день – нужно бодрствовать.

Повышение и снижение показателей мелатонина регулируется количеством света, который захватывают наши глаза и передают в шишковидную железу (эпифиз). Когда темнеет, выработка мелатонина в эпифизе увеличивается, и нам хочется спать. Яркое освещение тормозит синтез мелатонина, сон как рукой снимает.

Сильнее всего выработка мелатонина подавляется светом с длиной волны 450-480 нанометров, то есть синим светом.

Сравнение с зелёным светом показало, что синий свет сдвигает в сторону дня стрелку биологических часов в среднем на три часа, а зелёный - только на полтора, и эффект синего света держится дольше. Поэтому, синий искусственный свет, охватывающий спектр видимых фиолетовых и собственно синих световых волн, становится угрожающе опасным в ночное время!

Поэтому учёные рекомендуют утром яркое синеватое освещение, чтобы быстрее проснуться, а вечером желательно избегать синей части спектра. Кстати, распространённые сейчас энергосберегающие, а особенно светодиодные лампы испускают очень много синих лучей.
Так получается, что проблемы здоровья человека вступают в этом вопросе в противодействие с энергосберегающими технологиями. Обычные лампы накаливания, которые сейчас повсеместно снимают с производства, выдавали куда меньше света синего спектра, чем люминесцентные или светодиодные нового поколения. И всё же при выборе ламп следует руководствоваться полученными знаниями и предпочесть синему любой другой цвет.

Чем опасно для здоровья ночное освещение?

Многие исследования последних лет находили связь между работой в ночную смену и воздействием искусственного света на возникновение или обострение у наблюдаемых болезней сердца, сахарного диабета, ожирения, а также рака предстательной и молочной железы. Хотя ещё не совсем понятно, отчего это происходит, но учёные считают, что всё дело в подавлении светом гормона мелатонина, который, в свою очередь, влияет на циркадный ритм человека («внутренние часы»).

Исследователи из Гарварда, пытаясь пролить свет на связь циркадного цикла с диабетом и ожирением, провели эксперимент среди 10 участников. Им постоянно смещали с помощью света сроки их циркадного цикла. В результате – уровень сахара в крови значительно возрос, вызвав преддиабетное состояние, а уровень гормона лептина, отвечающего за чувство сытости после еды, напротив, понизился (то есть человек испытывал даже при том, что организм биологически насытился).

Оказалось, даже очень тусклый свет от ночника способен разрушить сон и нарушить ход биологических часов! Кроме сердечно-сосудистых заболеваний и сахарного диабета, это приводит к началу депрессии.

Еще, обнаружено, что изменения в сетчатке глаз, по мере старения, могут привести к нарушению циркадных ритмов.

Поэтому проблемы со зрением у пожилых могут стать причиной развития многих хронических заболеваний и состояний, связанных с возрастом.

По мере старения хрусталик глаз приобретает жёлтый оттенок и пропускает меньше лучей. Да и в целом, наши глаза улавливают меньше света, особенно синей части спектра. Глаза 10-летнего ребёнка способны поглощать в 10 раз больше синего света, чем глаза 95-летнего старика. В 45 лет глаза человека поглощают лишь 50% синего спектра света, необходимого для обеспечения циркадных ритмов.

Свет с экрана компьютера мешает спать

Работа и игра на компьютере особенно отрицательно влияет на сон, так как при работе вы сильно сконцентрировались и сидите близко к яркому экрану.

Двух часов чтения с экрана устройства вроде iPad при максимальной яркости достаточно, чтобы подавить нормальную выработку ночного мелатонина.

Многие из нас каждый день по несколько часов проводят за компьютером. При этом не все знают, что правильная настройка дисплея монитора может сделать работу более эффективной и комфортной.

Программа F.lux исправляет это, делая свечение экрана адаптированным к времени суток. Свечение монитора будет плавно меняться от холодного днем к теплому ночью.

«F.lux» в переводе с английского означает течение, постоянное изменение, постоянное движение. Работать за монитором в любое время суток значительно комфортнее.

Легко ли ей пользоваться?
Благодаря низким системным требованиям, «F.lux» будет отлично работать даже на слабых компьютерах. Простая установка не займет много времени. Все, что требуется – это укать Ваше местонахождение на земном шаре. Карты Гугл помогут сделать это менее, чем за минуту. Теперь программа настроена и работает в фоновом режиме, создавая комфорт для Ваших глаз.

«F.lux» полностью бесплатна. Есть версии для Windows, Mac OS и Linux.

Эффект Вавилова-Черенкова был открыт в 1934 г. советским физиком Павлом Алексеевичем Черенковым, работавшим в лаборатории, возглавляемой академиком Сергеем Ивановичем Вавиловым.

История открытия

Павел Алексеевич Черенков

Во время эксперимента по исследованию люминесценции («холодного» свечения) жидкостей под воздействием гамма-излучения молодой учёный обнаружил красивое голубое свечение, которое было довольно слабым. Его можно было наблюдать у всех чистых прозрачных жидкостей. Причём, в отличие от люминесценции, яркость этого свечения практически не зависела от химического состава жидкости. И ни температура, ни добавление примесей не влияли на его интенсивность. Кроме того, если люминесценция происходит равномерно во все стороны, то новое излучение было поляризовано и направлено вдоль пучка электронов. Обобщив свои наблюдения, Черенков пришёл к выводу, что свет излучается не жидкостью, а движущимися в ней быстрыми электронами. Открытое излучение было названо эффектом Вавилова-Черенкова .

Природу этого явления объяснили в 1937 г. советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк.

Игорь Евгеньевич Тамм

Илья Михайлович Франк

Излучение Вавилова-Черенкова

Нажать на изображение

Как же объяснить эффект Вавилова-Черенкова?

Мы знаем, что в вакууме свет движется с наивысшей скоростью, которой можно достичь. Согласно теории относительности, ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы (например, протоны или электроны), не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Но в любой другой прозрачной среде свет распространяется с меньшей скоростью. Например, скорость света в воде на треть меньше его скорости в вакууме. Поэтому скорость протонов или электронов может превысить скорость света в этой среде.

Как раз такая ситуация и наблюдалась в опыте Черенкова. Быстрые электроны, выбитые из атомов среды под воздействием гамма-излучения, двигались со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Согласно принципу Гюйгенса, в каждой точке поверхности, достигнутой сферической волной, возникает новая волна. Таким образом, каждую точку траектории электрона можно считать источником волны, возникающей в момент в момент её прохождения им. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью u = c/n , где u - скорость распространения волны; с - скорость света; n - показатель преломления среды.

Если частица движется быстрее световых волн, то она обгоняет волны и за время t пройдёт путь от точки А до точки Е, равный v·t , где v - скорость частицы. Радиус сферической волны, испущенной из точки А, будет равен R = u·t , или c/n·t . Пики амплитуд этих волн образуют волновой фронт (волновую поверхность, до которой дошли колебания). Его называют волновым фронтом Черенкова. Он выглядит, как конус с вершиной в точке Е. Нормали к образующим конуса показывают направление движения световых волн.

Угол между нормалью и направлением движения частиц зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Поэтому вычислив этот угол, можно вычислить и скорость частицы.

Связь между величиной этого угла и скоростью частицы определяет формула:

Практическое применение эффекта Вавилова-Черенкова

Свечение Черенкова довольно слабое. И, чтобы его увидеть, Черенкову приходилось подолгу сидеть в темноте, чтобы самый чувствительный в то время «фотоэлемент» - его глаз - смог это излучение разглядеть. Но в середине ХХ века были созданы фотоумножители, которые позволили фиксировать даже отдельные фотоны. Это дало толчок к практическому применению открытого учёным явления. В итоге появились черенковские детекторы, которые начали использовать для регистрации релятивистских частиц (частиц, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света).

Задача черенковкого детектора , или детектора черенковского излучения, - отделить тяжёлые частицы от более лёгких, косвенным образом определив их массы. Для этого определяют угол излучения черенковского света и вычисляют скорость частицы. Затем по искривлению траектории движения частицы в электромагнитном поле получают величину её импульса, что даёт возможность вычислить её массу и идентифицировать саму частицу.

По черенковскому излучению определяют содержание радионуклидов в воде напрямую, без применения специальных детекторов.

Эффект Вавилова-Черенкова широко применяется в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Детекторы Черенкова установлены в обсерваториях. Они используются во всём мире. Например, в Японии в лаборатории г. Камиока функционирует детектор «Супер-Камиоканде», вмещающий 50 тысяч тонн воды и 11 000 светочувствительных элементов.

Излучение Черенкова наблюдается в охлаждающей жидкости ядерного реактора. Его используют для контроля работы ядерных реакторов.

В 1958 г. Вавилов, Тамм и Франк стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им «за открытие и истолкование эффекта Черенкова».

В 1934 году П.А.Черенков, работавший тогда под руководством С.Н. Вавилова, изучая действие электромагнитного излучения на вещество, обнаружил особый вид свечения жидкости под действием γ-лучей радия. Подобное излучение света было обнаружено и под действием других заряженных частиц, например электронов.

Характерные особенности этого излучения:

во-первых, свечение имело голубоватый цвет и наблюдалось у всех чистых прозрачных жидкостей, причем яркость и цвет свечения мало зависели от химического состава жидкости;

во-вторых, в отличие от люминесценции , не наблюдалось ни температурного, ни примесного ослабления свечения;

в-третьих, излучение имеет поляризацию и направленность вдоль направления движения частицы.

Вавилов предположил, что обнаруженное явление не является люминесценцией, свет излучают быстрые электроны, движущиеся в жидкости . В 1937 году И.Е. Тамм и И.М. Франк объяснили механизм свечения и создали количественную теорию, основанную на уравнениях классической электродинамики. В 1940 году В.Л. Гинзбург создал квантовую теорию, которая привела к тем же результатам.

Излучение Вавилова–Черенкова – это излучение электрически заряженной частицы, движущейся в среде, со скоростью превышающей скорость света в этой среде :

Согласно электромагнитной теории, заряд, движущийся равномерно не излучает электромагнитной волны. Однако Тамм и Франк показали, что это справедливо лишь для скоростей частиц, не превышающих фазовую скорость волны в данной среде. В процессе излучения Вавилова–Черенкова энергия и скорость излучающей свободной частицы уменьшается, то есть частица тормозится.

Заряженная частица вызывает кратковременную поляризацию вещества в окрестности тех точек, через которые она проходит при своем движении. Поэтому молекулы среды, лежащие на пути частицы, становятся кратковременно действующими когерентными источниками элементарных электромагнитных волн, которые интерферируют друг с другом.

При движении заряженной частицы в изотропной среде со скоростью элементарные волны будут представлять собой сферы, распространяющиеся со скоростью (рис. 10.10).

Согласно принципу Гюйгенса–Френеля, в результате интерференции элементарные волны гасят друг друга всюду, за исключением их общей огибающей. А при движении частицы со скоростью общей огибающей волн нет: все окружности лежат одна в другой. Поэтому заряд, движущийся равномерно прямолинейно со скоростью , свет не излучает .

Если частица движется быстрее, чем распространяются волны в среде ( ), то соответствующие элементарным волнам сферы пересекаются и их общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке, совпадающей с мгновенным положением движущейся частицы (рис.10.11). В данном случае, в результате интерференции элементарные волны усиливают друг друга . Нормали к образующим конуса определяют волновые векторы, т.е. направления распространения света. Угол , который составляет волновой вектор с направлением движения частицы, удовлетворяет соотношению: .

В этих направлениях вторичные волны будут усиливаться и формировать излучение Вавилова–Черенкова . Свет, возникающий на каждом малом участке траектории частицы, распространяется вдоль образующей конуса, ось которого совпадает с направлением движения свободного электрона , а угол при вершине равен 2 (рис. 10.12).

Голубь во сне символизирует получение хорошего известия, покой, блаженство удовольствия, богатство и успех в делах.

Влюбленным такой сон предсказывает верность. Если ваш возлюбленный собирается в длительную поездку, то после такого сна вы должны верить, что он вернется к вам, а его поездка окажется выгодной.

Женатым сон о голубях предсказывает преданность супругов.

Бизнесменам сон о голубях обещает прирост состояния.

Видеть его летящим во сне - знак получения приятных известий об успехе.

Видеть голубя в небе - знак утешения в любви.

Воркующие голуби во сне обещают счастье влюбленным и счастливый брачный союз для женатых.

Кормить голубей с рук во сне - знак больших перемен в жизни, признания и почета. Иногда такой сон указывает на большую привязанность к вам какого-то человека.

Если во сне вы пытаетесь закрыть голубя в шкафу или буфете, а он вываливается оттуда, то ваши надежды на счастливый брак с вашим возлюбленным не оправдаются.

Матери сон о голубе предсказывает получение известие от любимого ребенка.

Ловить голубей во сне - к потерям; убивать - к разлуке или смерти близкого друга.

Голуби, летающие над вашим домом, сидящие у окна или на крыше, предвещают получение известий от близких людей.

Двух целующихся голубей видеть во сне - знак преданности вашего возлюбленного, взаимности, ласки.

Увидеть горлицу во сне - знак нежной привязанности для мужчин и получения хороших известий для женщин.

) 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.