Випромінювання Вавилова-Черенкова

Федеральне агентство з освіти

Федеральне державне освітній

установа вищої професійної освіта

«Південний федеральний університет»

Курсова робота на тему:

«Випромінювання Вавилова-Черенкова»

Виконала студентка

2 курсу 7 групи

Карташева А.А.

м. Ростов-на-Дону

2009 р

Зміст

1. Люмінесценція

2. Класифікація явищ люмінесценції

3. Види люмінесценції

4. Люмінесцирующие речовини

5. Визначення люмінесценції і критерій тривалості

6. Випромінювання Вавилова-Черенкова

7. Застосування випромінювання Вавилова-Черенкова

Список використаної літератури

Люмінесценція

Люмінесценція - випромінювання, що представляє собою надлишок над тепловим випромінюванням тіла при даній температурі і має тривалість, що значно перевищує період світлових хвиль.

Для виникнення люмінесценції потрібно, отже, будь-якої джерело енергії, відмінний від рівноважної внутрішньої енергії даного тіла, що відповідає його температурі. Для підтримки стаціонарної люмінесценції це джерело має бути зовнішнім. Нестаціонарна люмінесценція може відбуватися під час переходу тіла в рівноважний стан після попереднього збудження (загасання люмінесценції). Як випливає з самого визначення, поняття люмінесценції відноситься не до окремих випромінюючих атомів або молекул, а і до їх совокупностям - тілах.

Елементарні акти порушення молекул і випускання світла можуть бути однаковими в разі теплового випромінювання та люмінесценції. Різниця полягає лише у відносному числі тих чи інших енергетичних переходів. З визначення люмінесценції слід, також, що це поняття застосовується лише до тіл, що мають певну температуру. У разі сильного відхилення від теплового рівноваги говорити про температурний рівновазі або люмінесценції не має сенсу.

Класифікація явищ люмінесценції

За типом збудження розрізняють: іонолюмінесценцію, кандолюмінесценцію, катодолюмінесценцію, радіо-люмінесценцію, рентгенолюмінесценції, електролюмінесценції, фотолюмінесценцію, хемілюмінесценцію, тріболюмінесценції. За тривалістю люмінесценції, розрізняють флуоресценцію, (коротке світіння) і фосфоресценцію (тривале світіння). Тепер ці поняття зберегли тільки умовне і якісне значення, тому що не можна вказати будь-які межі між ними. Іноді під флуоресценцією розуміють спонтанну люмінесценцію, а під фосфоресценції - вимушену люмінесценцію.

Найбільш раціональна класифікація явищ люмінесценції, заснована на характеристиках механізму елементарних процесів, була вперше запропонована Сергієм Івановичем Вавіловим ^1, розрізняли спонтанні, вимушені і рекомбінаційні процеси люмінесценції. Надалі була виділена також резистивна люмінесценція.

Види люмінесценції

1) Резонансна люмінесценція (частіше називається резонансної флуоресценції) спостерігається в атомних парах (ртуті, натрію та ін) у деяких простих молекул і, іноді, в більш складних системах. Випромінювання має спонтанний характер і відбувається з того ж енергетичного рівня, які досягаються при поглинанні енергії збуджуючого світла. При підвищенні щільності пари резонансна люмінесценція переходить в резонансне розсіювання.

Цей вид світіння по всіх випадках не повинен ставитися до люмінесценції і повинен називатися резонансним розсіюванням.

2) Спонтанна люмінесценція включає перехід (випромінювальний або, частіше, безвипромінювальної) на енергетичний рівень, з якого відбувається випромінювання. Цей вид люмінесценції характерний для складних молекул в парах і розчинах, і для домішкових центрів в твердих тілах. Особливий випадок являє люмінесценція, обумовлена ​​переходами з екситонних станів.

3) метастабільна чи вимушена люмінесценція характеризується тим, що відбувається після поглинання енергії переходом на метастабільний рівень і подальшим переходом на рівень випромінювання в результаті повідомлення коливальної енергії (за рахунок внутрішньої енергії тіла) та додаткового кванта світла, наприклад інфрачервоного. Приклад цього виду люмінесценції - фосфоресценція органічних речовин, при якій метастабілен нижній триплетних рівень органічних молекул.

4) рекомбінаційних люмінесценція відбувається в результаті возз'єднання частинок, що розділилися при поглинанні збуджуючої енергії. У газах може відбуватися рекомбінація радикалів або іонів, в результаті якої виникає молекула в збудженому стані. Наступний перехід в основний стан може супроводжуватися люмінесценцією. У твердих кристалічних тілах рекомбінаційних люмінесценція виникає в результаті появи нерівноважних носіїв заряду (електронів чи дірок) під дією якого-небудь джерела енергії. Розрізняють рекомбінаційних люмінесценцію при переходах «зона - зона» і люмінесценцію дефектних або домішкових центрів (т. зв. Центрів люмінесценції). У всіх випадках процес люмінесценції може включати захоплення носіїв на пастках з їх подальшим звільненням тепловим або оптичним шляхом, тобто включати елементарний процес, характерний для метастабільній люмінесценції. У разі люмінесценції центрів, рекомбінація полягає в захопленні дірок на основний рівень центру і електронів на збуджений рівень. Випромінювання відбувається в результаті переходу центру із збудженого стану в основний. Рекомбінаційних люмінесценція спостерігається в крісталлофосфори і типових напівпровідниках, наприклад германії і кремнії. Незалежно від механізму елементарного процесу, що веде до люмінесценції, випромінювання, в кінцевому випадку, відбувається при спонтанному переході з одного енергетичного стану в інший. Якщо цей перехід дозволений, то має місце дипольне випромінювання.

У разі заборонених переходів випромінювання може відповідати як електричному, так і магнітного диполя.

Люмінесцирующие речовини

Серед індивідуальних неорганічних речовин число люмінесцирующих в звичайних умовах невелика. До них відносяться, наприклад, ураніловие і платіносінеродістие солі, з'єднання рідкісних земель, вольфрамати. Однак виявляється все більше випадків люмінесценції чистих неорганічних кристалів (наприклад, лужних галоидов, сульфідів) при низьких температурах. Ще не у всіх випадках ясно, чи обумовлена ​​люмінесценція випромінюванням екситонів або дефектів кристалічної решітки. Більшість неорганічних люмінесцирующих речовин відноситься до крісталлофосфори, тобто кристалам, в яких є домішки або активатори.

З органічних речовин добре люминесцируют головним чином з'єднання з ланцюгами подвійних сполучених зв'язків, в т. ч. більшість ароматичних сполук. Зв'язок люмінесценції з хімічною структурою, незважаючи на інтенсивне випромінювання, залишається до цих пір однією з найважчих проблем. З встановлених правил слід зазначити що люмінесценції сприяє «жорстка» структура молекул, ускладнює деякі типи коливань. Тому люмінесценцію органічних речовин посилюється не тільки при зниженні температури, але і при закріпленні молекул в склоподібного середовищі або шляхом адсорбції.

Люмінофори - люмінесцирующие синтетичні речовини. По хімічній природі люмінофори поділяються на неорганічні, більшість з яких відноситься до крісталлофосфори, і органічні.

Органічні люмінофори, що випускаються під назвою люмогенов (наприклад, люмоген світло-жовтий, люмоген оранжево-червоний), - зазвичай досить складні органічні речовини різноманітного будови, володіють яскравою люмінесценцією під дією ультрафіолетового й часто також короткохвильової частини видимого світла. Вони застосовуються як декоративні фарби, в поліграфії, для люмінесцентної відбілення тканин, в гідрології - для люмінесцентної мітки піску, в люмінесцентної мікроскопії. Фарби з органічних люмінофорів володіють більшою яскравістю і чистотою кольору, ніж звичайні.

Визначення люмінесценції і критерій тривалості

Незважаючи на надзвичайне різноманіття в значеннях часу , Що показує тривалість люмінесценції (від с до с), для всіх процесів люмінесценції характерно, що воно значно перевершує період власного коливання світиться молекули (T = c). На це звернув увагу Сергій Іванович Вавілов, який показав, що даний критерій тривалості є єдиним характерний критерієм, що дозволяє відокремити люмінесценцію від усіх інших видів світіння.

До числа нерівноважних світінь, інтенсивність яких може перевищувати при даній температурі теплове випромінювання, належать різноманітні типи світіння. Сюди відносяться, звичайно, і люмінесценція, але і розсіяне світло і світло, відбите точно також відрізняються від теплового випромінювання. Однак, всі ці види світіння, крім люмінесценції, можна охарактеризувати як вимушені світлові коливання, що тривають лише остільки, оскільки є змушує світіння, і зникаючі практично за час, сумірне з періодом змушують світлових коливань, тобто приблизно за час с. Для люмінесценції характерна незрівнянно більша тривалість післясвітіння. Відповідно до цього С.І. Вавилов запропонував визначать люмінесценцію як світіння, що представляють надлишок над температурним випромінюванням за умови, що таке надмірне випромінювання має тривалістю, що значно перевищує період світлових коливань.

Дане визначення однозначно відрізняє люмінесценцію від усіх інших видів світіння і дає можливість надійного експериментального встановлення люмінесцентного характеру світіння. Для цієї мети не ¹ потрібно робити складні визначення часу світіння. Достатньо переконатися, що воно не занадто мало. А для цього можна провести досліди з гасіння пропонованої люмінесценції, відповідним гасників. Для гасіння необхідно, щоб тривалість порушеної стану була свідомо більше середнього часу між зіткненнями з молекулами гасників. Час це при не надто малих концентраціях збуджених молекул і гасячого речовини не менше с. Тому нелюмінесцентние, тобто надзвичайно швидко припиняються види свічення не встигають випробувати гасіння.

Ознака тривалості має велике практичне значення і дає можливість відрізнити люмінесценцію від інших нерівноважних процесів. Зокрема він зіграв важливу роль в історії відкриття явища Вавилова-

Черенкова, дозволивши встановити, що спостерігалося світіння не можна віднести до люмінесценції.

Випромінювання Вавилова-Черенкова ²

Особливо важливе значення має випадок спеціального світіння, що спостерігається під дію радіоактивних випромінювання ( - І -Промені). Як показав Павло Олексійович Черенков, що працював під керівництвом С. І. Вавілова, світіння такого роду виникає у досить різноманітних речовин, в тому числі у чистих рідин, причому яскравість мало залежить від їх хімічного складу. Дане випромінювання має поляризацію і спрямованість вздовж напрямку руху частинки. Виявивши, що свічення не відчуває гасіння Вавілов прийшов до висновку, що воно не є люмінесценцією, як вважалося раніше, і зв'язав його походження з рухом електронів через речовину. Повне роз'яснення явища було дано в теоретичному дослідженні Ігоря Євгеновича Тамма ¹ і Ілля Михайлович ² Франка, які показали, що свічення повинно мати місце, якщо швидкість електрона перевершує фазову швидкість світла в даній речовині.

Нехай електрон рухається рівномірно зі швидкістю вздовж лінії О L (рис. 1) крізь яке-небудь речовина, наприклад воду.

При русі електрона крізь речовина є, звичайно, взаємодія електрона з атомами речовини, в результаті, якого частина енергії електрона може віддаватися атомам, викликаючи їх іонізацію або збудження. Проте в даному питанні нас не ці види втрат енергії електроном. Як показує детальний розгляд електричного поля, створюваного рухомим електроном, можуть мати місце й інші форми розтрати енергії електроном. Розглянемо випадок. Нехай електрон зі значною швидкістю рухається по осі пустотілого каналу, зробленого в речовині, так що він не відчуває безпосередніх зіткнень з атомами речовини. Виявляється, однак, що якщо діаметр каналу значно менше довжини хвилі світла, то все ж електрон втрачає енергію у вигляді світлової радіації крізь поверхню, що охоплює вісь циліндричного каналу. При цьому ми можемо для простоти вважати середу цілком прозорою, так що потік радіації безперешкодно проходить через неї. Випромінювана енергія, звичайно, запозичується з енергії рухомого електрона, швидкість якого повинна зменшитися внаслідок гальмування електрона у власному полі. Саме це випромінювання є в чистому вигляді випромінювання Вавилова-Черенкова.

Розрахунок показує, що аналізованих випромінювання і пов'язане з ним гальмування виникають тільки в тому випадку, коли швидкість електрона більше фазової швидкості світла в середовищі з, і припиняється коли швидкість електрона зменшується до цієї швидкості. Розрахувавши електричне і магнітне поля рухомого електрона зі «сверхсветовой» швидкістю електрона і утворивши вектор Пойнтінга, можна обчислити потік радіації, випромінюваної елктроном.

При цьому виявляється своєрідний розподіл випромінювання в просторі в ідеї вузького конічного шару, що утворює якого складає з віссю руху кут , Так що де - Фазова швидкість світла; випромінювання виявляється поляризованим так, що його електричний вектор лежить у площині, що проходить через напрямок руху електрона. Всі ці висновки теорії опинилася в хорошому відповідно до результатів спостереження світіння Вавилова-Черенкова.

Найбільш своєрідну особливість аналізованого випромінювання - його кутовий розподіл і необхідність дотримання умови можна отримати з досить загальних міркувань. Уявімо собі електрон, що рухається зі швидкістю вздовж лінії О L (рис.1), що служить віссю вузького пустотного каналу в однорідному прозорому речовині з показником заломлення n. Кожна точка лінії OL, послідовно займана електроном, є центром випускання світла, але з запізненням, певним величиною , Де а - відстань між 2 розглянутими положеннями електрона. Для того щоб всі хвилі, що виходять з цих послідовних положень, посилювалися в результаті взаємної інтерференції, необхідно, щоб різниця фаз між ними була дорівнює нулю при будь-якому значенні а. з малюнка 1 неважко побачити, що це буде мати місце для направлення, що становить кут з напрямом руху електрона, причому визначається з умови:

Звідки .

Дійсно, фронт хвилі, що виходить з О, досягає положення АМ `, де А - нове положення електрона, через час ОМ` / c = : Електрон же досягне точки А через проміжок часу . Якщо зазначені проміжки збігаються, , То хвиля з О і хвиля з А опиняться в одній фазі, якого б не було а.

Отже, ми бачимо, що напрямок максимальної інтенсивності визначитися кутом твірною конуса з його віссю Про L, що задовольняє умові . Якщо , Тобто швидкість нижче фазової швидкості світла, то відповідні напрямок неможливо. Навпаки, при кут має цілком певне значення, що залежать від швидкості електрона і показника заломлення середовища у згоді з повною теорією і досвідченими даними.

Легко бачити також, що якщо умова не дотримується, то ми можемо завжди розбити траєкторію Про L на такі відрізки а, щоб різниця ходу між хвилями, що виходять з відповідних двох сусідніх відрізків (тобто з точок розташованих на відстані а) дорівнювала . Іншими словами, має виконуватися умова

,

Звідки .

При дотриманні цієї умови, світло, що виходить з відповідних точок сусідніх ділянок, буде гаситися внаслідок інтерференції, і по даному напрямку випромінювання поширюватися не буде. Таким чином, єдиний напрямок, по якому в силу взаємної інтерференції хвиль може поширюватись випромінювання, є напрям визначається умовою , Що має сенс тільки у випадку руху зі сверхсветовой швидкістю. Звичайно, в реальному досвіді світловий конус не буде нескінченно тонким, бо потік летять електронів має кінцеву апертуру і відомий розкид швидкостей , Так само як і показник заломлення n має дещо різні значення для різних довжин хвиль видимого інтервалу. Все це дає більш-менш вузький конічний шар близько напрямки, що визначається умовою .

Випромінювання Вавилова-Черенкова може викликатися не тільки рухомими частинками, але і будь-якою збудженням, що поширюється зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість світла в середовищі. Припустимо, наприклад, що на кордон середовищ падає хвиля з плоским фронтом АВ (рис. 2). Уздовж кордону розділу побіжить обурення зі швидкістю , Де - Фазова швидкість світла в першій середовищі. Воно порушить у другій середовищі випромінювання Вавилова-Черенової під кутом до кордону розділу. Кут визначається із співвідношення , Де - Фазова швидкість світла у другій середовищі. Помічаючи, що , Звідси знаходимо . Таким чином, заломлення світла можна трактувати, як ефект Вавилова-Черенкова, що порушується в другій середовищі падаючою хвилею. Також можна розглядати і відбиття світла. У даному випадку швидкість хвильового фронту V збігається з фазовою швидкістю . Звідси одержимо, що , Тобто хвильовий фронт поширюється без зміни напрямку.

Ефекти, подібні з випромінюванням Вавілова-Черенкова давно відомі в гідро-та аеродинаміки. Якщо, наприклад, судно рухається по поверхні спокійної води зі швидкістю, що перевищує, швидкість поширення хвиль на поверхні води, то виникають під носом судна хвилі, відстаючи від нього, утворюють плоский конус хвиль, кут розкриття якого залежить від співвідношення швидкості судна і швидкості поверхневих хвиль . При русі снаряда або літака з надзвуковою швидкістю виникає звукове випромінювання («вої»), закони розповсюдження якого також пов'язані з утворенням так званого «конуса Маха». Явища ці ускладнюються складністю рівнянь аеродинаміки.

Застосування випромінювання Вавилова-Черенкова

Випромінювання Вавилова-Черенкова знайшло різноманітні застосування в експериментальної ядерної фізики і фізики елементарних частинок. На ньому грунтується дію так званих черенковських лічильників, тобто детекторів релятивістських заряджених частинок, випромінювання яких реєструється за допомогою фотопомножувачів. Основне призначення черенковських лічильників - поділ релятивістських частинок з однаковими імпульсами, але різними швидкостями. Нехай, наприклад, пучок, що складається з релятивістських протонів і -Мезонів, проходить через однорідне поперечне магнітне поле. Напрями траєкторій пройшли часток будуть визначатися тільки їх імпульсами, але не будуть залежати від їх швидкостей. За допомогою діафрагм можна виділити протони і -Мезонів з однаковими імпульсами. Через відмінності мас швидкості -Мезонів виявляться дещо більше швидкостей протонів . Якщо отриманий пучок направити в газ і підібрати показник заломлення n газу так, щоб було , То -Мезони будуть давати випромінювання Вавилова-Черенкова, а протони - ні. Таким чином, лічильник буде реєструвати тільки -Мезони, але не буде реєструвати протони.

Незважаючи на надзвичайну слабкість світіння, приймачі світла достатньо чутливі, щоб зареєструвати випромінювання, породжене єдиною зарядженою часткою. Створені прилади, які дозволяють по випромінювання Вавилова-Черенкова визначити заряд, швидкість і напрямок руху частки, її повну енергії. Практично важливе застосування цього випромінювання для контролю роботи ядерних реакторів.

Список використаної літератури

1. Антонов-Романовський В.В. «Оптика і спектроскопія» 1957р.

2. Степанов Б.І. «Класифікація вторинного світіння» 1959р.

3. Прінсгейм П. «Флюоресценція і фосфоренценція» 1951р.

4. Левшин В. Л. «Фотолюмінесценція рідких і твердих речовин» 1951р.

5. Москвін О. В. «катодолюмінесценцію» 1949р.

6. Ландсберг Г.С. «Оптика» 1976 р.

7. Сивухин Д.В. «Курс загальної фізики. Оптика »1985 р.