Излучение Вавилова-Черенкова

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образование

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Курсовая работа на тему:

«Излучение Вавилова-Черенкова»

Выполнила студентка

2 курса 7 группы

Карташева А.А.

г. Ростов-на-Дону

2009 г

Содержание

1. Люминесценция

Классификация явлений люминесценции

Виды люминесценции

Люминесцирующие вещества

Определение люминесценции и критерий длительности

Излучение Вавилова-Черенкова

Применение излучения Вавилова-Черенкова

Список использованной литературы

Люминесценция

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн.

Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равновесное состояние после предварительного возбуждения (затухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам.

Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам, имеющим определенную температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла.

Классификация явлений люминесценции

По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию, кандолюминесценцию, катодолюминесценцию, радио-люминесценцию, рентгенолюминесценцию, электролюминесценцию, фотолюминесценцию, хемилюминесценцию, триболюминесценцию. По длительности люминесценции, различают флуоресценцию, (короткое свечение) и фосфоресценцию (длительное свечение). Теперь эти понятия сохранили только условное и качественное значение, т. к. нельзя указать какие-либо границы между ними. Иногда под флуоресценцией понимают спонтанную люминесценцию, а под фосфоресценцией – вынужденную люминесценцию.

Наиболее рациональная классификация явлений люминесценции, основанная на характеристиках механизма элементарных процессов, была впервые предложена Сергеем Ивановичем Вавиловым¹, различавшим спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции. В дальнейшем была выделена также резистивная люминесценция.

Виды люминесценции

1) Резонансная люминесценция (чаще называется резонансной флуоресценцией) наблюдается в атомных парах (ртути, натрия и др.) у некоторых простых молекул и, иногда, в более сложных системах. Излучение имеет спонтанный характер и происходит с того же энергетического уровня, которые достигаются при поглощении энергии возбуждающего света. При повышении плотности паров резонансная люминесценция переходит в резонансное рассеяние.

Этот вид свечения по всех случаях не должен относиться к люминесценции и должен называться резонансным рассеянием.

2) Спонтанная люминесценция включает переход (излучательный или, чаще, безызлучательный) на энергетический уровень, с которого происходит излучение. Этот вид люминесценции характерен для сложных молекул в парах и растворах, и для примесных центров в твердых телах. Особый случай представляет люминесценция, обусловленная переходами из экситонных состояний.

3) Метастабильная или вынужденная люминесценция характеризуется происходящим после поглощения энергии переходом на метастабильный уровень и последующим переходом на уровень излучения в результате сообщения колебательной энергии (за счет внутренней энергии тела) или дополнительного кванта света, например инфракрасного. Пример этого вида люминесценции — фосфоресценция органических веществ, при которой метастабилен нижний триплетный уровень органических молекул.

4) Рекомбинационная люминесценция происходит в результате воссоединения частиц, разделившихся при поглощении возбуждающей энергии. В газах может происходить рекомбинация радикалов или ионов, в результате которой возникает молекула в возбужденном состоянии. Последующий переход в основное состояние может сопровождаться люминесценцией. В твердых кристаллических телах рекомбинационная люминесценция возникает в результате появления неравновесных носителей заряда (электронов или дырок) под действием какого- либо источника энергии. Различают рекомбинационную люминесценцию при переходах «зона – зона» и люминесценцию дефектных или примесных центров (т. н. центров люминесценции). Во всех случаях процесс люминесценции может включать захват носителей на ловушках с их последующим освобождением тепловым или оптическим путем, т. е. включать элементарный процесс, характерный для метастабильной люминесценции. В случае люминесценции центров, рекомбинация состоит в захвате дырок на основной уровень центра и электронов на возбуждённый уровень. Излучение происходит в результате перехода центра из возбуждённого состояния в основное. Рекомбинационная люминесценция наблюдается в кристаллофосфорах и типичных полупроводниках, например германии и кремнии. Независимо от механизма элементарного процесса, ведущего к люминесценции, излучение, в конечном случае, происходит при спонтанном переходе из одного энергетического состояния в другое. Если этот переход разрешённый, то имеет место дипольное излучение.

В случае запрещенных переходов излучение может соответствовать как электрическому, так и магнитному диполю.

Люминесцирующие вещества

Среди индивидуальных неорганических веществ число люминесцирующих в обычных условиях невелико. К ним относятся, например, ураниловые и платиносинеродистые соли, соединения редких земель, вольфраматы. Однако обнаруживается все больше случаев люминесценции чистых неорганических кристаллов (например, щелочных галоидов, сульфидов) при низких температурах. Еще не во всех случаях ясно, обусловлена ли люминесценция излучением экситонов или дефектов кристаллической решетки. Большинство неорганических люминесцирующих веществ относится к кристаллофосфорам, т. е. кристаллам, в которых имеются примеси или активаторы.

Из органических веществ хорошо люминесцируют главным образом соединения с цепями двойных сопряженных связей, в т. ч. большинство ароматических соединений. Связь люминесценции с химической структурой, несмотря на интенсивное излучение, остается до сих пор одной из трудных проблем. Из установленных правил следует отметить что люминесценции способствует «жесткая» структура молекул, затрудняющая некоторые типы колебаний. Поэтому люминесценцию органических веществ усиливается не только при понижении температуры, но и при закреплении молекул в стеклообразной среде или путем адсорбции.

Люминофоры - люминесцирующие синтетические вещества. По химической природе люминофоры разделяются на неорганические, большинство из которых относится к кристаллофосфорам, и органические.

Органические люминофоры, выпускаемые под названием люмогенов (например, люмоген светло-желтый, люмоген оранжево-красный), - обычно довольно сложные органические вещества разнообразного строения, обладающие яркой люминесценцией под действием ультрафиолетовой и часто также коротковолновой части видимого света. Они применяются как декоративные краски, в полиграфии, для люминесцентной отбелки тканей, в гидрологии — для люминесцентной метки песка, в люминесцентной микроскопии. Краски из органических люминофоров обладают большей яркостью и чистотой цвета, чем обычные.

Определение люминесценции и критерий длительности

Несмотря на чрезвычайное разнообразие в значениях времени , показывающего длительность люминесценции (от с до с), для всех процессов люминесценции характерно, что оно значительно превосходит период собственного колебания светящейся молекулы ( T= c). На это обратил внимание Сергей Иванович Вавилов, показавший, что данный критерий длительности является единственным характерный критерием, позволяющим отделить люминесценцию от всех других видов свечения.

К числу неравновесных свечений, интенсивность которых может превышать при данной температуре тепловое излучение, принадлежат разнообразные типы свечения. Сюда относятся, конечно, и люминесценция, но и рассеянный свет и свет, отраженный точно также отличаются от теплового излучения. Однако, все эти виды свечения, кроме люминесценции, можно охарактеризовать как вынужденные световые колебания, длящиеся лишь постольку, поскольку есть вынуждающее свечение, и исчезающие практически за время, соизмеримое с периодом вынуждающих световых колебаний, т.е. примерно за время с. Для люминесценции характерна несравненно большая длительность послесвечения. В соответствии с этим С.И. Вавилов предложил определят люминесценцию как свечение, представляющие избыток над температурным излучением при условии, что такое избыточное излучение обладает длительностью, значительно превышающей период световых колебаний.

Данное определение однозначно отличает люминесценцию от всех других видов свечения и дает возможность надежного экспериментального установления люминесцентного характера свечения. Для этой цели не ²требуется производить сложные определения времени свечения. Достаточно убедиться, что оно не слишком мало. А для этого можно провести опыты по тушению предлагаемой люминесценции, подходящим тушителем. Для тушения необходимо, чтобы длительность возбужденного состояния была заведомо больше среднего времени между соударениями с молекулами тушителя. Время это при не слишком малых концентрациях возбужденных молекул и тушащего вещества не меньше с. Поэтому нелюминесцентные, т.е. чрезвычайно быстро прекращающиеся виды свечения не успевают испытать тушение.

Признак длительности имеет большое практическое значение и дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В частности он сыграл важную роль в истории открытия явления Вавилова-

Черенкова, позволив установить, что наблюдавшееся свечения нельзя отнести к люминесценции.

Излучение Вавилова-Черенкова³

Особенно важное значение имеет случай специального свечения, наблюдаемого под действие радиоактивных излучения (- и -лучи). Как показал Павел Алексеевич Черенков, работавший под руководством С.И.Вавилова, свечение такого рода возникает у весьма разнообразных веществ, в том числе у чистых жидкостей, причём яркость мало зависит от их химического состава. Данное излучение имеет поляризацию и направленность вдоль направления движения частицы. Обнаружив, что свечение не испытывает тушения Вавилов пришел к выводу, что оно не является люминесценцией, как считалось ранее, и связал его происхождение с движением электронов через вещество. Полное разъяснение явления было дано в теоретическом исследовании Игоря Евгеньевича Тамма⁴ и Илья Михайлович⁵ Франка, которые показали, что свечение должно иметь место, если скорость электрона превосходит фазовую скорость света в данном веществе.

Пусть электрон движется равномерно со скоростью вдоль линии ОL (рис. 1) сквозь какое-нибудь вещество, например воду.

При движении электрона сквозь вещество имеется, конечно, взаимодействие электрона с атомами вещества, в результате, которого часть энергии электрона может предаваться атомам, вызывая их ионизацию или возбуждение. Однако в данном вопросе нас не эти виды потерь энергии электроном. Как показывает детальное рассмотрение электрического поля, создаваемого движущимся электроном, могут иметь место и иные формы растраты энергии электроном. Рассмотрим случай. Пусть электрон со значительной скоростью движется по оси пустотелого канала, проделанного в веществе, так что он не испытывает непосредственных столкновений с атомами вещества. Оказывается, однако, что если диаметр канала значительно меньше длины волны света, то все же электрон теряет энергию в виде световой радиации сквозь поверхность, охватывающую ось цилиндрического канала. При этом мы можем для простоты считать среду вполне прозрачной, так что поток радиации беспрепятственно проходит через нее. Излучаемая энергия, конечно, заимствуется из энергии движущегося электрона, скорость которого должна уменьшиться вследствие торможения электрона в собственном поле. Именно это излучение представляет собой в чистом виде излучение Вавилова-Черенкова.

Расчет показывает, что рассматриваемое излучение и связанное с ним торможение возникают только в том случае, когда скорость электрона больше фазовой скорости света в среде с, и прекращается когда скорость электрона уменьшается до этой скорости. Рассчитав электрическое и магнитное поля движущегося электрона со «сверхсветовой» скоростью электрона и образовав вектор Пойнтинга, можно вычислить поток радиации, излучаемой элктроном..

При этом обнаруживается своеобразное распределение излучения в пространстве в идее узкого конического слоя, образующая которого составляет с осью движения угол , так что где - фазовая скорость света; излучение оказывается поляризованным так, что его электрический вектор лежит в плоскости, проходящей через направление движения электрона. Все эти выводы теории оказалась в хорошем соответствии с результатами наблюдения свечения Вавилова-Черенкова.

Наиболее своеобразную особенность рассматриваемого излучения – его угловое распределение и необходимость соблюдения условия можно получить из довольно общих соображений. Представим себе электрон, движущийся со скоростью вдоль линии ОL (рис.1), служащей осью узкого пустотного канала в однородном прозрачном веществе с показателем преломления n. Каждая точка линии OL, последовательно занимаемая электроном, является центром испускания света, но с запозданием, определенным величиной , где а – расстояние между 2 рассматриваемыми положениями электрона. Для того чтобы все волны, исходящие из этих последовательных положений, усиливались в результате взаимной интерференции, необходимо, чтобы разность фаз между ними была равно нулю при любом значении а. из рисунка 1 нетрудно увидеть, что это будет иметь место для направления, составляющего угол с направлением движения электрона, причем определяется из условия:

Откуда .

Действительно, фронт волны, исходящей из О, достигает положения АМ`, где А – новое положение электрона, через время ОМ`/c=: электрон же достигнет точки А через промежуток времени . если указанные промежутки совпадают, , то волна из О и волна из А окажутся в одной фазе, какого бы ни было а.

Итак, мы видим, что направление максимальной интенсивности определиться углом образующей конуса с его осью ОL, удовлетворяющим условию . Если , т.е. скорость ниже фазовой скорости света, то соответствующие направление невозможно. Наоборот, при угол имеет вполне определенное значение, зависящие от скорости электрона и показателя преломления среды в согласии с полной теорией и опытными данными.

Легко видеть также, что если условие не соблюдается, то мы можем всегда разбить траекторию ОL на такие отрезки а, чтобы разность хода между волнами, исходящих из соответствующих двух соседних отрезков (т.е. из точек расположенных на расстоянии а) была равна . Иными словами, должно выполнятся условие

,

Откуда .

При соблюдении этого условия, свет, исходящий из соответствующих точек соседних участков, будет гаситься вследствие интерференции, и по данному направлению излучение распространяться не будет. Таким образом, единственное направление, по которому в силу взаимной интерференции волн может распространятся излучение, есть направление определяемое условием , имеющим смысл только в случае движения со сверхсветовой скоростью. Конечно, в реальном опыте световой конус не будет бесконечно тонким, ибо поток летящих электронов имеет конечную апертуру и известный разброс скоростей , равно как и показатель преломления n имеет несколько различные значения для разных длин волн видимого интервала. Все это дает более или менее узкий конический слой около направления, определяемого условием .

Излучение Вавилова-Черенкова может вызываться не только движущимися частицами, но и каким-либо возбуждением, распространяющимся со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде. Допустим, например, что на границу сред падает волна с плоским фронтом АВ (рис 2). Вдоль границы раздела побежит возмущение со скоростью , где - фазовая скорость света в первой среде. Оно возбудит во второй среде излучение Вавилова-Черенова под углом к границе раздела. Угол определяется из соотношения , где - фазовая скорость света во второй среде. Замечая, что , отсюда находим . Таким образом, преломление света можно трактовать, как эффект Вавилова-Черенкова, возбуждаемый во второй среде падающей волной. Также можно рассматривать и отражение света. В данном случае скорость волнового фронта V совпадает с фазовой скоростью . Отсюда получим, что , т.е. волновой фронт распространяется без изменения направления.

Эффекты, сходные с излучением Вавилова-Черенкова давно известны в гидро- и аэродинамике. Если, например, судно движется по поверхности спокойной воды со скоростью, превышающей, скорость распространения волн на поверхности воды, то возникающие под носом судна волны, отставая от него, образуют плоский конус волн, угол раскрытия которого зависит от соотношения скорости судна и скорости поверхностных волн. При движении снаряда или самолета со сверхзвуковой скоростью возникает звуковое излучение («вой»), законы распространения которого также связаны с образованием так называемого «конуса Маха». Явления эти осложняются сложностью уравнений аэродинамики.

Применения излучения Вавилова-Черенкова

Излучение Вавилова-Черенкова нашло разнообразные применения в экспериментальной ядерной физике и физике элементарных частиц. На нем основано действие так называемых черенковских счетчиков, т.е. детекторов релятивистских заряженных частиц, излучение которых регистрируется с помощью фотоумножителей. Основное назначение черенковских счетчиков – разделение релятивистских частиц с одинаковыми импульсами, но различными скоростями. Пусть, например, пучок, состоящий из релятивистских протонов и -мезонов, проходит через однородное поперечное магнитное поле. Направления траекторий прошедших частиц будут определяться только их импульсами, но не будут зависеть от их скоростей. С помощью диафрагм можно выделить протоны и -мезонов с одинаковыми импульсами. Из-за различия масс скорости -мезонов окажутся несколько больше скоростей протонов . Если полученный пучок направить в газ и подобрать показатель преломления n газа так, чтобы было , то -мезоны будут давать излучение Вавилова-Черенкова, а протоны – нет. Таким образом, счетчик будет регистрировать только -мезоны, но не будет регистрировать протоны.

Несмотря на чрезвычайную слабость свечения, приемники света достаточно чувствительны, чтобы зарегистрировать излучение, порожденное единственной заряженной частицей. Созданы приборы, которые позволяют по излучения Вавилова-Черенкова определить заряд, скорость и направление движения частицы, ее полную энергии. Практически важно применение этого излучения для контроля работы ядерных реакторов.

1 (12 (24) марта 1891, Москва — 25 января 1951, Москва) — советский физик, академик (1932), основатель научной школы физической оптики в СССР, президент Академии наук СССР (с 1945), лауреат Сталинской премии. Младший брат Н. И. Вавилова, русского ученого-генетика

2 уменьшение выхода люминесценции, вызываемое различными причинами. Тушение люминесценции может происходить при добавлении в люминофор посторонних примесей, при увеличении в нём концентрации самого люминесцирующего вещества (концентрационное тушение), при нагревании (температурное тушение), под действием ИК света, электрического поля и др. воздействий на люминофор.

3 (28 июля 1904, село Новая Чигла Бобровского уезда Воронежской губернии (ныне Таловский район Воронежской области) — 6 января 1990, Москва) — русский физик, двухкратный лауреат Сталинской премии, лауреат Нобелевской премии по физике (совместно с И. Е. Таммом и И. М. Франком) (1958).

4 (26 июня (8 июля) 1895, Владивосток — 12 апреля 1971, Москва) — советский физик, лауреат Сталинской премии, лауреат Нобелевской премии по физике (совместно с П. А. Черенковым и И. М. Франком, 1958).

5 23 октября 1908, Владивосток — 22 июня1990, Москва — советский физик, лауреат Сталинской премии, лауреат Нобелевской премии по физике (совместно с П. А. Черенковым и И. М. Франком, 1958).