Голубое свечение – предвестник смерти

Данный заголовок кликбэйтен лишь на 50%. Как вы уже догадались, сегодня поговорим об излучении Вавилова-Черенкова.

В 1958 году трое советских ученых – Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк получили нобелевскую премию за открытие и объяснение появления нового вида излучения, имеющего абсолютно другую природу по сравнению с люминесценцией.

Люминесценция возникает, когда при воздействии на атомы вещества каким-либо излучением (заряженными частицами, электромагнитными волнами), они переходят в возбужденное состояние. Т.е. их электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокоэнергетические уровни, а затем сбрасывают эту энергию, спрыгивая обратно, в виде видимого света. Именно так, например, появляется полярное сияние.

Черенковское излучение не имеет ничего общего с люминесценцией. Оно возникает, когда частица в прозрачной среде двигается (внимание!) быстрее скорости света. Как же так, спросите вы, ведь теория относительности нам говорит, что ничего не может двигаться быстрее этой скорости. Но Эйнштейну в гробу вертеться пока преждевременно. Дело в том, что, согласно теории относительности, невозможно движение быстрее скорости света в вакууме! А вот в более плотных прозрачных средах типа воды или стекла, скорость света значительно меньше своих вакуумных значений. Вспомните пост про мираж. Чем плотнее воздух, тем медленнее свет двигается в нем. В воде он замедляется в 1,33 раза, а в стекле, в среднем, в 1,5. Поэтому при определенных условиях могут возникнуть частицы, двигающиеся быстрее скорости света в данной среде. Такие условия возникают, если рядом происходит ядерная реакция, а частицами, чаще всего являются быстрые электроны.

Есть два наиболее распространенных случая, когда может возникнуть это свечение – в активной зоне работающего ядерного реактора и при ядерной аварии. Когда происходит цепная реакция деления ядер урана или плутония, о которых я рассказывал здесь, образуется много разных радиоактивных элементов, которые, в дальнейшем, претерпевают бета-распад и испускают электроны. Также электроны могут выбиваться из среды гамма-квантами, попутно образовавшимися при реакции деления. Такие электроны могут быть очень высоких энергий и иметь скорость в 90, а то и 99% от скорости света в вакууме, тогда как свет, например, в воде имеет 75% этой скорости. Электроны ведь еще и маленькие и легко могут двигаться в такой среде.

При движении быстрее скорости света, также, как и при движении самолетов быстрее скорости звука, возникает ударная волна (про сверхзвук был пост здесь). Частица, пролетая через среду, передает часть своей энергии атомам среды и расталкивает их. После пролета они возвращаются обратно и сбрасывают лишнюю энергию, излучая кванты света - фотоны. Но если частица двигается медленнее скорости света в среде, эти излучения просто гасят друг друга. При обгоне света частицей она оставляет за собой световой конус, также, как и сверхзвуковой самолет оставляет за собой конус плотного воздуха. И в этом конусе волны не гасят друг друга, а усиливают.

Таким образом, черенковское излучение – это ударная электромагнитная волна от частицы, двигающейся со сверхсветовой скоростью в данной прозрачной среде.

Почему свечение голубое?

Потому что частицы высоких энергий, пролетающие в прозрачной среде, рождают высокоэнергетические электромагнитные волны (закон сохранения энергии никуда не делся). А высокая энергия означает высокую частоту и низкую длину волны. Поэтому в видимом диапазоне мы видим коротковолновые синие волны, а еще не видим ультрафиолетовые.