A Cserenkov-sugárzás egy elektromágneses reakció, amely akkor következik be, amikor a töltött részecskék olyan sebességgel haladnak át egy átlátszó közegen, mint a fény azonos fázisindexe ugyanabban a közegben. A víz alatti atomreaktor jellegzetes kék fénye ennek a kölcsönhatásnak köszönhető.
Előzmények
A sugárzás Pavel Cserenkov szovjet tudósról, az 1958-as Nobel-díjasról kapta a nevét. 1934-ben ő fedezte fel először kísérletileg egy kolléga felügyelete alatt. Ezért Vavilov-Cserenkov-effektusként is ismert.
Egy tudós kísérletei során halvány kékes fényt látott egy vízben lévő radioaktív gyógyszer körül. Doktori disszertációja az uránsók oldatainak lumineszcenciájáról szólt, amelyeket a kevésbé energikus látható fény helyett gamma-sugarakkal gerjesztenek, ahogy általában szokás. Felfedezte az anizotrópiát, és arra a következtetésre jutott, hogy ez a hatás nem fluoreszcens jelenség.
Cserenkov elméletea sugárzást később Einstein relativitáselméletének keretein belül fejlesztették ki a tudós kollégái, Igor Tamm és Ilya Frank. 1958-ban Nobel-díjat is kaptak. A Frank-Tamm képlet leírja a kisugárzott részecskék által kibocsátott energia mennyiségét egységnyi hosszon és egységnyi frekvencián. Ez annak az anyagnak a törésmutatója, amelyen a töltés áthalad.
A Cserenkov-sugárzást mint kúpos hullámfrontot elméletileg az angol polihisztor Oliver Heaviside jósolta meg 1888 és 1889 között, valamint Arnold Sommerfeld 1904-ben. A szuperrészecskék relativitáselméletének 1970-es évekig tartó korlátozása után azonban mindkettő gyorsan feledésbe merült. Marie Curie 1910-ben halványkék fényt figyelt meg erősen tömény rádiumoldatban, de nem ment bele a részletekbe. 1926-ban Lucien vezette francia sugárterapeuták leírták a rádium folyamatos spektrumú fénysugárzását.
Fizikai eredet
Noha az elektrodinamika úgy véli, hogy a fény sebessége vákuumban univerzális állandó (C), a fény terjedési sebessége a közegben sokkal kisebb lehet, mint C. A sebesség növekedhet magreakciók során és részecskegyorsítókban. A tudósok számára ma már világos, hogy Cserenkov-sugárzás akkor lép fel, amikor egy töltött elektron áthalad egy optikailag átlátszó közegen.
A szokásos analógia egy szupergyors repülőgép hangrobbanása. Ezek a hullámok, amelyeket reaktív testek generálnak,maga a jel sebességével terjed. A részecskék lassabban térnek el egymástól, mint egy mozgó tárgy, és nem tudnak előre haladni. Ehelyett becsapódási frontot alkotnak. Hasonlóképpen, egy töltött részecske is képes fénylökéshullámot generálni, amikor áthalad valamilyen közegen.
A túllépni kívánt sebesség egy fázissebesség, nem pedig csoportsebesség. Az előbbi időszakos közeg használatával drasztikusan megváltoztatható, ilyenkor minimális részecskesebesség nélkül akár Cserenkov-sugárzást is kaphatunk. Ezt a jelenséget Smith-Purcell effektusnak nevezik. Egy bonyolultabb periodikus közegben, például egy fotonikus kristályban, sok más rendellenes reakció is bekövetkezhet, például ellenkező irányú sugárzás.
Mi történik a reaktorban
Tamm és Frank az elméleti alapokról szóló eredeti tanulmányukban ezt írták: "A Cserenkov-sugárzás egy sajátos reakció, amely nyilvánvalóan nem magyarázható semmilyen általános mechanizmussal, mint például egy gyors elektron kölcsönhatása egyetlen atommal vagy sugárzással. magokba szóródás Másrészt ez a jelenség minőségileg és mennyiségileg is magyarázható, ha figyelembe vesszük, hogy a közegben mozgó elektron egyenletesen mozog is fényt bocsát ki, feltéve, hogy sebessége nagyobb, mint a közegben mozgó elektron. fény."
A Cserenkov-sugárzással kapcsolatban azonban vannak tévhitek. Például úgy tekintik, hogy a közeg polarizálódik a részecske elektromos tere miatt. Ha az utóbbi lassan mozog, akkor a mozgás visszafelé fordulmechanikai egyensúly. Ha azonban a molekula elég gyorsan mozog, a közeg korlátozott válaszsebessége azt jelenti, hogy az egyensúly megmarad a nyomában, és a benne lévő energia koherens lökéshullám formájában sugárzik ki.
Az ilyen koncepcióknak nincs analitikai igazolása, mivel elektromágneses sugárzás keletkezik, amikor a töltött részecskék homogén közegben szubluminális sebességgel mozognak, ami nem tekinthető Cserenkov-sugárzásnak.
Fordított jelenség
A Cserenkov-effektus negatív indexű metaanyagoknak nevezett anyagok használatával érhető el. Vagyis szubhullámhosszú mikrostruktúrával, ami a többitől nagyon eltérő, jelen esetben negatív permittivitású effektív "átlagos" tulajdonságot ad nekik. Ez azt jelenti, hogy amikor egy töltött részecske a fázissebességnél gyorsabban halad át a közegen, akkor elölről sugárzást bocsát ki.
Cserenkov-sugárzás inverz kúppal is előállítható nem-metaanyagból származó periodikus közegben. Itt a szerkezet a hullámhosszal azonos skálán van, így nem tekinthető hatékonyan homogén metaanyagnak.
Jellemzők
A fluoreszcencia vagy emissziós spektrumoktól eltérően, amelyeknek jellegzetes csúcsai vannak, a Cserenkov-sugárzás folyamatos. A látható izzás körül a frekvenciaegységenkénti relatív intenzitás hozzávetőlegesenarányos vele. Vagyis a magasabb értékek intenzívebbek.
Ez az oka annak, hogy a látható Cserenkov-sugárzás élénkkék. Valójában a legtöbb folyamat az ultraibolya spektrumban zajlik - csak kellően felgyorsult töltésekkel válik láthatóvá. Az emberi szem érzékenysége zölden tetőzik, és nagyon alacsony a spektrum lila részén.
Atomreaktorok
A Cserenkov-sugárzást nagy energiájú töltött részecskék kimutatására használják. Az olyan egységekben, mint az atomreaktorok, a béta-elektronok hasadási bomlástermékként szabadulnak fel. A ragyogás a láncreakció leállása után is folytatódik, és elhalványul, ahogy a rövidebb élettartamú anyagok bomlanak. A Cserenkov-sugárzás a kiégett fűtőelemek fennmaradó radioaktivitását is jellemezheti. Ez a jelenség a kiégett nukleáris üzemanyag jelenlétének ellenőrzésére szolgál a tartályokban.
