Электромагнитные взаимодействия

Из формулы (3.2) следует, что излучение отсутствует, если . В реальной среде зависит от частоты и поэтому излучение существует лишь в определенных диапазонах частот. На рис. 2 показаны области, где и, следовательно, возможно излучение Вавилова—Черенкова. Излучение велико в области ультрафиолетового и видимого излучений, а также в далекой инфракрасной области и в радиодиапазоне. Оно полностью отсутствует в рентгеновском диапазоне длин волн.

Спектральное распределение излучения имеет вид [(3.2)]

                                         (3.3)

или, если перейти к числу фотонов ,

                                           (3.4)

 

 

2. Применение эффекта Вавилова—Черенкова для измерения характеристик частиц

Излучение Вавилова — Черенкова нашло широкое применение в детекторах частиц — черенковских счетчиках. Счетчик состоит из радиатора, в котором происходит излучение, и фотоумножителя для усиления света. В качестве радиатора может применяться пластинка практически из любого прозрачного вещества. Острая направленность светового потока позволяет использовать черенковский счетчик как детектор направления прихода частицы, что особенно важно при измерениях в космическом пространстве, где угловое распределение частиц изотропно.

Порог излучения Вавилова — Черенкова зависит только от скорости частицы. Поэтому для протонов порог по импульсу в раз выше, чем для электронов. Измеряя независимым способом (например, с помощью магнитного спектрометра) импульс частицы в сочетании со световой вспышкой от черенковского счетчика, можно разделить частицы разной массы. Например, если при импульсе наблюдается излучение Вавилова — Черенкова, то вызвавшая его частица — электрон. На ускорителях используются газовые черенковские счетчики. Меняя в них давление, можно плавно изменять коэффициент преломления и тем самым порог возникновения черенковского свечения. Создав систему счетчиков разного давления и включив их в систему совпадений — антисовпадений, можно при известном им пульсе отбирать частицы определенной природы.

Газовые черенковские счетчики использовались и в космических лучах для идентификации частиц. Учитывая низкую интенсивность космических лучей и малый выход света из газовых счетчиков, их приходится делать очень большого размера. Поэтому работать с такими счетчиками можно лишь при атмосферном давлении.

Длительность вспышки черенковского света очень мала. Это позволяет использовать черенковские счетчики для точных измерений времени прихода частиц. Поскольку излучаемая энергия пропорциональна ,то черенковские- счетчики являются эффективными приборами для измерений заряда частиц.

4. Переходное излучение

Электромагнитное излучение возникает и в том случае, когда заряженная частица пересекает границу раздела двух сред, отличающихся скоростью распространения света. Такое излучение наблюдается экспериментально и называется переходным. Теория явления разработана В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком в 1946 г. В отличие от излучения Вавилова — Черенкова, переходное излучение происходит при любых скоростях.

Наиболее сильный эффект наблюдается в случае, когда частица попадает из вакуума в идеальный проводник. В момент пересечения границы раздела электрическое поле заряда во внешнем пространстве исчезает, что должно приводить к возникновению излучения.

Исследования последних лет показали, что переходное излучение — широко распространенное явление, охватывающее оптическую и рентгеновскую части диапазона электромагнитных излучений. Интенсивность излучения в рентгеновском диапазоне под малыми углами к линии движения частицы, как выяснилось, имеет сильную линейную зависимость от отношения энергии к массе. Это позволяет надеяться на возможность создания эффективных детекторов частиц в области очень высоких энергий.

При прохождении частицей одного слоя диэлектрика число излученных фотонов невелико (примерно один фотон на сто или тысячу частиц). Если, однако, создать многослойную систему из сотен или тысяч слоев или использовать пористые материалы (например, пенопласт), прозрачные для рентгеновского излучения, то можно добиться почти 100%-ной эффективности регистрации. В этом случае линейный рост интенсивности излучения даст надежный метод измерения скоростей, соответствующих отношению . В настоящее время ведутся работы по изучению космических лучей с помощью детекторов переходного излучения.

5. Взаимодействие фотонов с веществом

5.1 Комптон-эффект

Вероятность рассеяния фотона на свободном электроне на пути 1 см (комптон-эффект) в предельном случае больших энергий фотонов имеет вид

                      (5.1)

Следовательно, вероятность комптон-эффекта обратно пропорциональна энергии фотона. Средняя потеря энергии на один акт взаимодействия

.

При обратном комптон- эффекте — рассеянии фотонов на ультра- релятивистских электронах — энергия фотона увеличивается .

2. Рождение пар

 Образование электрон-позитронных  пар происходит в поле атомного  ядра или атомных электронов. Этот процесс подобен процессу  тормозного излучения. Действительно, сравнивая диаграммы на рис. 3 , а, б и в видим, что они подобны с точностью до направления стрелок. Поэтому и выражения, описывающие эти два процесса, должны быть похожи по своей структуре. В случае полного экранирования вероятность того, что фотон с энергией образует электрон с энергией и позитрон с энергией :

                                       (5.2)

Вероятность (5.2) не зависит от энергии электрона и позитрона. Это можно было предвидеть заранее, поскольку фотон в данном процессе исчезает и вероятность рождения электрона с энергией и позитрона с энергией должна быть одинакова. Одной из частиц передается больше половины энергии фотона. Следовательно, здесь, как и в случае тормозного излучения, энергия передается большими порциями.

Для определения полной вероятности образования пары на пути 1 см необходимо проинтегрировать выражение (5.2) по всем возможным энергиям электронов:

                                (5.4)

 

 

Рис.3. (а): комптоновское рассеяние (б); образование электрон-позитронной пары в); прямое рождение пары электроном (пунктиром обведен виртуальный фотон, на опыте не наблюдаемый).

 

Таким образом, полная вероятность образования пар не зависит от энергии фотона в случае полного экранирования (предельно больших энергий ). При она равна нулю. Сопоставляя полученный результат с вероятностью комптон-эффекта, видим, что комптон-эффект происходит главным образом при малых энергиях, а рождение пар — при больших .