Cherenkov-säteily on sähkömagneettinen reaktio, joka tapahtuu, kun varautuneet hiukkaset kulkevat läpinäkyvän väliaineen läpi nopeudella, joka on suurempi kuin sama valon vaiheindeksi samassa väliaineessa. Vedenalaisen ydinreaktorin tyypillinen sininen hehku johtuu tästä vuorovaikutuksesta.
Historia
Säteily on nimetty neuvostotieteilijän Pavel Cherenkovin, vuoden 1958 Nobel-palkinnon voittajan mukaan. Hän löysi sen ensimmäisen kerran kokeellisesti kollegan valvonnassa vuonna 1934. Siksi se tunnetaan myös nimellä Vavilov-Cherenkov-ilmiö.
Tutkija näki kokeiden aikana heikosti sinertävän valon vedessä olevan radioaktiivisen lääkkeen ympärillä. Hänen väitöskirjansa käsitteli uraanisuolojen liuosten luminesenssia, joka viritettiin gammasäteillä vähemmän energisen näkyvän valon sijaan, kuten yleensä tehdään. Hän löysi anisotropian ja päätteli, että tämä vaikutus ei ollut fluoresoiva ilmiö.
Tšerenkovin teoriasäteilyn kehittivät myöhemmin Einsteinin suhteellisuusteorian puitteissa tiedemiehen kollegat Igor Tamm ja Ilja Frank. He saivat myös vuoden 1958 Nobel-palkinnon. Frank-Tamm-kaava kuvaa säteilevien hiukkasten emittoiman energian taajuusyksikköä kohti kuljettua pituusyksikköä kohti. Se on materiaalin taitekerroin, jonka läpi varaus kulkee.
Tšerenkovin säteilyn kartiomaisena a altorintamana ennustivat teoriassa englantilainen polymaatti Oliver Heaviside vuosina 1888-1889 julkaistuissa julkaisuissa ja Arnold Sommerfeld vuonna 1904. Mutta molemmat unohdettiin nopeasti superhiukkasten suhteellisuuden rajoittamisen jälkeen 1970-luvulle asti. Marie Curie havaitsi vaaleansinistä valoa erittäin väkevässä radiumliuoksessa vuonna 1910, mutta ei mennyt yksityiskohtiin. Vuonna 1926 Lucienin johtamat ranskalaiset sädeterapeutit kuvasivat radiumin valosäteilyä, jolla on jatkuva spektri.
Fyysinen alkuperä
Vaikka sähködynamiikka katsoo, että valon nopeus tyhjiössä on universaali vakio (C), nopeus, jolla valo etenee väliaineessa, voi olla paljon pienempi kuin C. Nopeus voi kasvaa ydinreaktioiden aikana ja hiukkaskiihdyttimissä. Nyt tiedemiehille on selvää, että Tšerenkovin säteilyä syntyy, kun varautunut elektroni kulkee optisesti läpinäkyvän väliaineen läpi.
Tavallinen analogia on supernopean lentokoneen äänibuumi. Nämä reaktiivisten kappaleiden synnyttämät aallot,etenevät itse signaalin nopeudella. Hiukkaset hajoavat hitaammin kuin liikkuva kohde, eivätkä voi edetä sitä edellä. Sen sijaan ne muodostavat törmäysrintaman. Vastaavasti varautunut hiukkanen voi synnyttää kevyen shokkiaallon kulkiessaan jonkin väliaineen läpi.
Lisäksi ylitettävä nopeus on vaihenopeus, ei ryhmänopeus. Ensin mainittua voidaan muuttaa rajusti käyttämällä jaksollista väliainetta, jolloin saadaan jopa Tšerenkovin säteilyä ilman minimihiukkasnopeutta. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä Smith-Purcell-ilmiö. Monimutkaisemmassa jaksollisessa väliaineessa, kuten fotonikiteessä, voidaan saada aikaan myös monia muita poikkeavia reaktioita, kuten säteily vastakkaiseen suuntaan.
Mitä reaktorissa tapahtuu
Alkuperäisissä teoreettisia perusteita koskevissa papereissaan Tamm ja Frank kirjoittivat: "Tšerenkovin säteily on erikoinen reaktio, jota ei ilmeisesti voida selittää millään yleisellä mekanismilla, kuten nopean elektronin vuorovaikutuksella yhden atomin tai säteilyn kanssa. siroaminen ytimiin Toisa alta tämä ilmiö voidaan selittää sekä laadullisesti että kvantitatiivisesti, jos otamme huomioon sen, että väliaineessa liikkuva elektroni säteilee valoa, vaikka se liikkuisi tasaisesti, jos sen nopeus on suurempi kuin valo."
Tšerenkovin säteilystä on kuitenkin olemassa joitakin väärinkäsityksiä. Esimerkiksi katsotaan, että väliaine polarisoituu hiukkasen sähkökentän vaikutuksesta. Jos jälkimmäinen liikkuu hitaasti, liike palaa takaisinmekaaninen tasapaino. Kuitenkin, kun molekyyli liikkuu riittävän nopeasti, väliaineen rajoitettu vastenopeus tarkoittaa, että tasapaino säilyy sen jälkeen ja sen sisältämä energia säteilee koherentin shokkiaallon muodossa.
Tällaisilla käsitteillä ei ole analyyttistä perustetta, koska sähkömagneettista säteilyä syntyy, kun varautuneet hiukkaset liikkuvat homogeenisessa väliaineessa subluminaalisilla nopeuksilla, joita ei pidetä Tšerenkovin säteilynä.
Käänteinen ilmiö
Tšerenkov-ilmiö voidaan saada käyttämällä aineita, joita kutsutaan metamateriaaleiksi, joilla on negatiivinen indeksi. Toisin sanoen aliaallonpituuden mikrorakenteella, joka antaa niille tehokkaan "keskimääräisen" ominaisuuden, joka on hyvin erilainen kuin muut, tässä tapauksessa negatiivisen permittiivisyyden omaavalla. Tämä tarkoittaa, että kun varautunut hiukkanen kulkee väliaineen läpi vaihenopeutta nopeammin, se lähettää säteilyä sen läpi kulkemisesta edestä.
On myös mahdollista saada Cherenkov-säteilyä käänteiskartiolla ei-metamateriaalisissa jaksollisissa väliaineissa. Tässä rakenne on samassa mittakaavassa kuin aallonpituus, joten sitä ei voida pitää tehokkaasti homogeenisena metamateriaalina.
Ominaisuudet
Toisin kuin fluoresenssi- tai emissiospektreillä, joilla on tyypillisiä huippuja, Tšerenkovin säteily on jatkuvaa. Näkyvän hehkun ympärillä suhteellinen intensiteetti taajuusyksikköä kohti on noinverrannollinen häneen. Eli korkeammat arvot ovat voimakkaampia.
Tästä syystä näkyvä Cherenkov-säteily on kirkkaan sinistä. Itse asiassa suurin osa prosesseista on ultraviolettispektrissä - vain riittävän kiihdytetyillä varauksilla se tulee näkyviin. Ihmissilmän herkkyys on huipussaan vihreänä ja on erittäin alhainen spektrin violetissa osassa.
Ydinreaktorit
Cherenkov-säteilyä käytetään korkeaenergisten hiukkasten havaitsemiseen. Yksiköissä, kuten ydinreaktoreissa, beetaelektroneja vapautuu fissiohajoamistuotteina. Hehku jatkuu ketjureaktion päätyttyä ja himmenee, kun lyhytikäiset aineet hajoavat. Tšerenkovin säteily voi myös luonnehtia käytettyjen polttoaine-elementtien jäljellä olevaa radioaktiivisuutta. Tämän ilmiön avulla tarkistetaan käytetyn ydinpolttoaineen esiintyminen säiliöissä.
