Promieniowanie Czerenkowa to reakcja elektromagnetyczna, która zachodzi, gdy naładowane cząstki przechodzą przez przezroczysty ośrodek z prędkością większą niż ten sam indeks fazowy światła w tym samym ośrodku. Charakterystyczna niebieska poświata podwodnego reaktora jądrowego wynika z tej interakcji.
Historia
Promieniowanie zostało nazwane na cześć radzieckiego naukowca Pawła Czerenkowa, laureata Nagrody Nobla z 1958 roku. To on jako pierwszy odkrył ją eksperymentalnie pod okiem kolegi w 1934 roku. Dlatego jest również znany jako efekt Wawiłowa-Czerenkowa.
Naukowiec zauważył podczas eksperymentów słabe niebieskawe światło wokół radioaktywnego leku w wodzie. Jego rozprawa doktorska dotyczyła luminescencji roztworów soli uranu, które były wzbudzane promieniami gamma zamiast mniej energetycznym światłem widzialnym, jak to się zwykle dzieje. Odkrył anizotropię i doszedł do wniosku, że efekt ten nie jest zjawiskiem fluorescencyjnym.
Teoria Czerenkowapromieniowanie zostało później opracowane w ramach teorii względności Einsteina przez kolegów naukowca Igora Tamma i Ilyę Franka. Otrzymali także Nagrodę Nobla z 1958 roku. Wzór Franka-Tamma opisuje ilość energii emitowanej przez wypromieniowane cząstki na jednostkę długości przebytej przez jednostkę częstotliwości. Jest to współczynnik załamania światła materiału, przez który przechodzi ładunek.
Promieniowanie Czerenkowa jako stożkowy front fali zostało teoretycznie przewidziane przez angielskiego erudytę Olivera Heaviside'a w artykułach opublikowanych w latach 1888-1889 oraz przez Arnolda Sommerfelda w 1904 roku. Jednak obaj szybko zapomnieli po ograniczeniu względności supercząstek aż do lat 70. XX wieku. Marie Curie zaobserwowała bladoniebieskie światło w silnie stężonym roztworze radu w 1910 roku, ale nie wdawała się w szczegóły. W 1926 roku francuscy radioterapeuci pod kierownictwem Luciena opisali promieniowanie świetlne radu, które ma widmo ciągłe.
Pochodzenie fizyczne
Chociaż elektrodynamika uważa, że prędkość światła w próżni jest uniwersalną stałą (C), prędkość, z jaką światło rozchodzi się w ośrodku, może być znacznie mniejsza niż C. Prędkość może wzrosnąć podczas reakcji jądrowych i w akceleratorach cząstek. Dla naukowców jest teraz jasne, że promieniowanie Czerenkowa pojawia się, gdy naładowany elektron przechodzi przez optycznie przezroczysty ośrodek.
Zwykła analogia to dźwiękowy huk superszybkiego samolotu. Fale te, generowane przez reaktywne ciała,rozprzestrzeniać się z prędkością samego sygnału. Cząsteczki rozchodzą się wolniej niż poruszający się obiekt i nie mogą wyprzedzać go. Zamiast tego tworzą front uderzenia. Podobnie naładowana cząstka może generować lekką falę uderzeniową, gdy przechodzi przez jakieś medium.
Ponadto, prędkość do przekroczenia jest prędkością fazową, a nie prędkością grupową. To pierwsze można drastycznie zmienić za pomocą ośrodka okresowego, w którym to przypadku można nawet uzyskać promieniowanie Czerenkowa bez minimalnej prędkości cząstek. Zjawisko to znane jest jako efekt Smitha-Purcella. W bardziej złożonym ośrodku okresowym, takim jak kryształ fotoniczny, można również uzyskać wiele innych anomalnych reakcji, takich jak promieniowanie w przeciwnym kierunku.
Co się dzieje w reaktorze
W swoich oryginalnych artykułach na temat podstaw teoretycznych Tamm i Frank napisali: „Promieniowanie Czerenkowa jest szczególną reakcją, której najwyraźniej nie można wyjaśnić żadnym ogólnym mechanizmem, takim jak oddziaływanie szybkiego elektronu z pojedynczym atomem lub rozpraszanie w jądrach Z drugiej strony zjawisko to można wyjaśnić zarówno jakościowo, jak i ilościowo, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że poruszający się w ośrodku elektron emituje światło, nawet jeśli porusza się jednostajnie, pod warunkiem, że jego prędkość jest większa niż prędkość światło."
Jednakże istnieją pewne nieporozumienia dotyczące promieniowania Czerenkowa. Na przykład uważa się, że ośrodek zostaje spolaryzowany przez pole elektryczne cząstki. Jeśli ten ostatni porusza się powoli, ruch ma tendencję do powrotu do:waga mechaniczna. Jednak, gdy cząsteczka porusza się wystarczająco szybko, ograniczona szybkość reakcji ośrodka oznacza, że równowaga pozostaje po nim, a energia w nim zawarta jest wypromieniowywana w postaci spójnej fali uderzeniowej.
Takie koncepcje nie mają uzasadnienia analitycznego, ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne jest emitowane, gdy naładowane cząstki poruszają się w jednorodnym ośrodku z prędkościami podświetlnymi, które nie są uważane za promieniowanie Czerenkowa.
Odwrotne zjawisko
Efekt Czerenkowa można uzyskać za pomocą substancji zwanych metamateriałami o ujemnym indeksie. To znaczy z mikrostrukturą o subdługościach fal, która daje im efektywną „średnią” właściwość, która bardzo różni się od innych, w tym przypadku ma ujemną przenikalność. Oznacza to, że gdy naładowana cząstka przechodzi przez ośrodek szybciej niż prędkość fazowa, będzie emitować promieniowanie z przejścia przez nie od przodu.
Możliwe jest również otrzymanie promieniowania Czerenkowa z odwróconym stożkiem w niemetamateriałowych ośrodkach okresowych. Tutaj struktura jest w tej samej skali co długość fali, więc nie można jej uznać za skutecznie jednorodny metamateriał.
Funkcje
W przeciwieństwie do widm fluorescencji lub emisji, które mają charakterystyczne piki, promieniowanie Czerenkowa jest ciągłe. Wokół widocznej poświaty względna intensywność na jednostkę częstotliwości wynosi okołoproporcjonalna do niej. Oznacza to, że wyższe wartości są bardziej intensywne.
Dlatego widoczne promieniowanie Czerenkowa jest jasnoniebieskie. W rzeczywistości większość procesów zachodzi w widmie ultrafioletowym - dopiero przy odpowiednio przyspieszonych ładunkach staje się to widoczne. Czułość ludzkiego oka ma szczyty na zielono i jest bardzo niska w fioletowej części widma.
Reaktory jądrowe
Promieniowanie Czerenkowa służy do wykrywania naładowanych cząstek o wysokiej energii. W jednostkach takich jak reaktory jądrowe elektrony beta są uwalniane jako produkty rozpadu rozszczepienia. Blask utrzymuje się po zatrzymaniu reakcji łańcuchowej, przygasając wraz z rozpadem substancji o krótszym czasie życia. Ponadto promieniowanie Czerenkowa może charakteryzować pozostałą radioaktywność wypalonych elementów paliwowych. Zjawisko to służy do sprawdzania obecności wypalonego paliwa jądrowego w zbiornikach.
