Cherenkov sugárzás: leírás, alapfogalmak

A Cherenkov-sugárzás olyan elektromágneses reakció, amely akkor következik be, amikor a töltött részecskék átlátszó közegen haladnak át olyan sebességgel, amely nagyobb, mint az azonos közegben a fény hasonló fázisindexe. A víz alatti atomreaktor jellegzetes kék fénye ennek az interakciónak köszönhető.

Történelem

A sugárzást Pavel Cherenkov szovjet tudósról nevezték el, aki 1958-ban Nobel-díjat nyert. Ő volt az, aki először kísérletileg fedezte fel egy kolléga felügyelete alatt 1934-ben. Ezért Vavilov-Cherenkov hatásnak is nevezik.

A tudós a kísérletek során halvány kékes fényt látott a vízben lévő radioaktív gyógyszer körül. Doktori disszertációját az uránsók oldatainak lumineszcenciájának szentelték, amelyeket gamma sugarak gerjesztettek a kevésbé energikus látható fény helyett, mint általában. Felfedezte az anizotrópiát, és arra a következtetésre jutott, hogy ez a hatás nem fluoreszcens jelenség.

A Cserenkov-sugárzás elméletét később Einstein relativitáselméletének keretében fejlesztették ki Igor Tamm és Ilya Frank tudós kollégái. Ők is megkapták az 1958-as Nobel-díjat. A Frank-Tamm képlet leírja a kisugárzott részecskék által kibocsátott energia mennyiségét az egységnyi frekvencián megtett út egységnyi hosszában. Ez az anyag törésmutatója, amelyen keresztül a töltés áthalad.

A Cserenkov-sugárzást, mint kúpos hullámfrontot elméletileg megjósolta Oliver Heaviside angol polihisztor az 1888 és 1889 között megjelent cikkekben, Arnold Sommerfeld pedig 1904-ben. De mindkettőt gyorsan elfelejtették a szuperrészecskék relativitáselméletének korlátozása után az 1970-es évekig. Marie Curie 1910-ben halványkék fényt figyelt meg egy erősen koncentrált rádiumoldatban, de nem értette a részleteket. 1926-ban a Lucien által vezetett francia sugárterapeuták leírták a rádium fényes sugárzását, amelynek folyamatos spektruma van.

Fizikai eredet

Bár az elektrodinamika úgy véli, hogy a vákuumban a fénysebesség univerzális állandó (C), egy hasonló mutató, amellyel az izzás a közegben terjed, lényegesen kisebb lehet, mint a. A sebesség növekedhet a nukleáris reakciók és a részecskegyorsítók során. Most a tudósok már megértik, hogy a Cherenkov-sugárzás akkor következik be, amikor egy töltött elektron áthalad egy optikailag átlátszó közegben.

A szokásos analógia egy ultragyors Repülőgép hangrobbanása. Ezek a reaktív testek segítségével generált hullámok a jel sebességével terjednek. A részecskék lassabban oszlanak el, mint egy mozgó tárgy, és nem tudnak előre haladni. Ehelyett ütközési frontot alkotnak. Hasonlóképpen töltött részecske könnyű lökéshullámot generálhat, amikor áthalad valamilyen közegen.

Ezenkívül a túllépendő sebesség fázis, nem Csoport. Az első periodikus közeg segítségével drasztikusan megváltoztatható, ebben az esetben a Cherenkov-sugárzás minimális részecskesebesség nélkül is elérhető. Ez a jelenség Smith-Purcell-effektus néven ismert. Egy összetettebb periodikus közegben, például egy fotonikus kristályban, sok más rendellenes reakció is előállítható, például az ellenkező irányú sugárzás.

Mi történik a reaktorban

Az elméleti alapokon nyugvó eredeti műveikben Tamm és Frank a következőket írták: "A Cherenkov-sugárzás sajátos reakció, nyilvánvalóan nem magyarázható semmilyen általános mechanizmussal, például egy gyors elektron kölcsönhatásával egyetlen atommal vagy a magokba szóródó sugárzással. Másrészt ez a jelenség mind minőségileg, mind mennyiségileg magyarázható, ha figyelembe vesszük azt a tényt, hogy egy közegben mozgó elektron fényt bocsát ki, még akkor is, ha egyenletesen mozog, feltéve, hogy sebessége nagyobb, mint a fényé."

Van azonban néhány tévhit a Cserenkov-sugárzással kapcsolatban. Például úgy gondolják, hogy a közeg polarizálódik a részecske elektromos mezőjével. Ha ez utóbbi lassan mozog, akkor a mozgás visszatér a mechanikai egyensúlyba. Ha azonban egy molekula elég gyorsan mozog, a közeg korlátozott válaszsebessége azt jelenti, hogy az egyensúly a nyomában marad, és a benne lévő energia koherens lökéshullámként sugárzik.

Az ilyen fogalmaknak nincs analitikai indoklása, mivel az elektromágneses sugárzás akkor keletkezik, amikor a töltött részecskék homogén közegben mozognak, olyan fénysebességgel, amely nem tekinthető Cherenkov-sugárzásnak.

A fordított jelenség

A Cherenkov-hatás negatív indexű metamateriumoknak nevezett anyagok felhasználásával érhető el. Vagyis egy hullámhosszú mikrostruktúrával, amely hatékony "átlagos" tulajdonságot biztosít számukra, amely nagyon különbözik a többitől, ebben az esetben negatív permittivitással rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy amikor egy töltött részecske az első fázist meghaladó sebességgel halad át a közegen, akkor az elülső áthaladásából sugárzást bocsát ki.

A Cserenkov-sugárzást inverz kúppal is meg lehet szerezni nem metamateriális periodikus közegben. Itt a szerkezet skálája megegyezik a hullámhosszal, ezért nem tekinthető hatékonyan homogén metamateriálisnak.

Előírások

Ellentétben a fluoreszcens vagy emissziós spektrumokkal, amelyek jellegzetes csúcsokkal rendelkeznek, a Cherenkov-sugárzás folyamatos. A látható fény körül az egységnyi frekvenciára eső relatív intenzitás megközelítőleg arányos vele. Vagyis a magasabb értékek intenzívebbek.

Ezért van a látható Cherenkov-sugárzás élénk kék színű. Valójában a folyamatok többsége az ultraibolya spektrumban van — csak kellően gyorsított töltésekkel válik láthatóvá. Az emberi szem érzékenysége eléri a zöld csúcsot, a spektrum ibolyaszínű részén pedig nagyon kicsi.

Atomreaktorok

A Cherenkov-sugárzást nagy energiájú töltött részecskék kimutatására használják. Olyan egységekben, mint az atomreaktorok, a béta elektronok hasadási bomlástermékekként szabadulnak fel. A ragyogás a láncreakció leállítása után is folytatódik, sötétebb, mint rövidebb élettartamú bomlású anyagok. A Cherenkov-sugárzás is jellemezheti a lejárt fűtőelemek fennmaradó radioaktivitását. Ez a jelenség használják, hogy ellenőrizze a kiégett nukleáris fűtőelemek jelenléte a tartályokban.