![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Черенковское излучение
В 1934 году ученик академика С.И. Вавилова П.А. Черенков, исследуя люминесценцию солей урана под действием γ -лучей радия, обнаружил новый вид слабого свечения, которое позднее было названо излучением Вавилова–Черенкова. Оказалось, что под действием γ -лучей радия светились все «чистые» жидкости, и при этом яркость свечения всех исследованных жидкостей оказалась примерно одинаковой. Дальнейшие исследования показали, что обнаруженное новое свечение вызывается не самими γ -лучами радия, а быстрыми электронами, возникающими в среде под действием γ -лучей в результате фотоэффекта и комптон-эффекта. Также было показано, что свечение испускается не изотропно, а имеет преимущественное направление вдоль направления движения электрона, причем, под определенным углом к траектории движения заряженной частицы. Теоретически обосновать излучение Вавилова–Черенкова в чистых жидкостях удалось И.Е. Тамму и И.М. Франку, которые показали, что источниками свечения являются электроны, движущиеся в веществе равномерно и прямолинейно со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данном веществе. В 1958 году П.А. Черенкову, И.Е. Тамму и И.М. Франку за открытие и объяснение излучения Вавилова–Черенкова была присуждена Нобелевская премия по физике. Рассмотрим вкратце суть их рассуждений. Законы сохранения энергии и импульса в классической электродинамике запрещают заряженной частице, движущейся равномерно и прямолинейно в вакууме, отдавать свою энергию и импульс в форме электромагнитного излучения. Однако этот запрет снимается при движении частицы в среде с показателем преломления n > 1. В этом случае возможно выполнение равенства
свидетельствующего о возможности передачи частицей части своей энергии электромагнитному излучению. Объясняется это следующим. 1. В любой плотной среде скорость распространения света c ¢ меньше, чем скорость света в вакууме с в п раз, где п – показатель преломления среды, т.е. фазовая скорость света в этой среде 2. Скорость быстрого электрона или другой быстрой частицы v может превышать фазовую скорость света (v > c ¢). Так, в воде c ¢ примерно равна 2·1010 см/с, а скорость электронов v, образованных в результате взаимодействия γ -излучения радия с водой, может достигать 2, 5·1010 см/с.
3. Если заряженная частица движется в среде равномерно и прямолинейно со скоростью v > с/п, то она может терять часть своей энергии и импульса путем испускания электромагнитного излучения, распространяющего в этой среде под определенным углом q относительно траектории частицы, при Электромагнитные волны, возникающие в произвольных точках A, B, C, D, E на траектории АЕ, будут когерентны, лишь распространяясь под углом q. Когерентность возможна только тогда, когда частица проходит путь AE за то же время, которое необходимо свету, чтобы распространяться из Е в М. Если частица, движущаяся со скоростью v, пройдет путь АЕ за время t, то за это время свет распространится на расстояние
где b = v/c. Условие показывает, что излучение Вавилова–Черенкова распространяется в узком конусе, образующем угол q с направлением движения частицы в среде. Из соотношения можно сделать следующие выводы. 1. Для среды с показателем преломления п существует пороговая скорость частицы 2. Излучение приходится в основном на видимую и примыкающие к ней области спектра, для которых n > 1. На рис. 4.12 изображена зависимость пороговой энергии электрона Е порог, выше которой начинается генерация излучения Черенкова, в зависимости от показателя преломления n.
![]() Было также показано, что количество фотонов, излучаемых при прохождении электронами единичного пути, при их малых энергиях равно нулю. При достижении электронами пороговой энергии количество фотонов быстро растет, а при энергиях электрона более 1 МэВ перестает зависеть от энергии и становится постоянным, однако продолжает зависеть от оптической плотности среды. Вместе с тем, двигаясь в плотной среде, электрон теряет энергию главным образом за счет ионизационных потерь, и интенсивность излучения Черенкова уменьшается на длине пути. Установлено, что полное число фотонов излучения Черенкова невелико во всем энергетическом диапазоне и соизмеримо с числом фотонов, излучаемых, например, жидким сцинтиллятором при регистрации β -частиц трития. Для оценки возможности практического применения Черенковского метода регистрации β -частиц принципиальное значение имеет величина среднего числа фотонов, излучаемых на единичный распад тем или иным β -излучателем. В табл. 4.4 приведены значения выходов фотонов излучения Черенкова для группы радионуклидов.
Таблица 4.4
Значения выходов фотонов излучения Черенкова при поглощении β -частиц в воде и стекле
Как видно из таблицы, например, прямое измерение активности радионуклида 90Sr в водном растворе с использованием черенковского излучения практически невозможно, так как его выход составляет всего 0, 8 фотонов на распад. Однако возможно определение дочернего радионуклида 90Y, выход фотонов которого составляет 83 фотона на распад, а следовательно, и самого 90Sr, если радионуклиды находятся в равновесии. Существенно мешающими радионуклидами при таких измерениях могут являться 40К и 214Bi – дочерний радионуклид распада 226Ra. Излучение Вавилова–Черенкова возникает при движении в среде не только электрона, но и любой заряженной частицы, если для неё выполняется условие (4.17). Для электронов в жидкостях и твёрдых телах условие (4.18) начинает выполняться уже при энергиях ~105 эВ (такие энергии имеют многие электроны радиоактивных процессов). Более тяжёлые частицы должны обладать большей энергией, например, протон, масса которого в ~2000 раз больше массы электрона, для достижения необходимой скорости должен обладать энергией ~108 эВ. Протоны с такой энергией можно получить только на современных ускорителях частиц.
4.4. Взаимодействие γ -квантов с веществом
Механизм взаимодействия фотонов с веществом существенно отличается от взаимодействия заряженных частиц. Особенностью γ -квантов при прохождении через вещество является то, что они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т.е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность γ -квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света, а это значит, что γ -кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы. При прохождении γ -излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка γ -квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества. В области энергий γ -квантов от 1 кэВ до 10 МэВ наиболее существенное значение имеют следующие процессы: · фотоэффект; · комптоновское рассеяние или комптон-эффект; · эффект образование пары.
|