Cherenkovstrålning är en elektromagnetisk reaktion som uppstår när laddade partiklar passerar genom ett transparent medium med en hastighet som är högre än samma fasindex för ljus i samma medium. Det karaktäristiska blåa skenet hos en kärnreaktor under vatten beror på denna interaktion.
Historia
Strålningen är uppkallad efter den sovjetiske vetenskapsmannen Pavel Cherenkov, 1958 års Nobelpristagare. Det var han som först upptäckte det experimentellt under överinseende av en kollega 1934. Därför är den också känd som Vavilov-Cherenkov-effekten.
En vetenskapsman såg ett svagt blåaktigt ljus runt ett radioaktivt läkemedel i vatten under experiment. Hans doktorsavhandling handlade om luminescensen av lösningar av urans alter, som exciterades av gammastrålar istället för det mindre energiska synliga ljuset, som man brukar göra. Han upptäckte anisotropi och drog slutsatsen att denna effekt inte var ett fluorescerande fenomen.
Cherenkovs teoristrålning utvecklades senare inom ramen för Einsteins relativitetsteori av vetenskapsmannens kollegor Igor Tamm och Ilya Frank. De fick också 1958 års Nobelpris. Frank-Tamm-formeln beskriver mängden energi som emitteras av utstrålade partiklar per längdenhet per frekvensenhet. Det är brytningsindexet för materialet genom vilket laddningen passerar.
Cherenkovstrålning som en konisk vågfront förutspåddes teoretiskt av den engelske polymaten Oliver Heaviside i tidningar publicerade mellan 1888 och 1889, och av Arnold Sommerfeld 1904. Men båda glömdes snabbt bort efter begränsningen av superpartikelrelativitet fram till 1970-talet. Marie Curie observerade ljusblått ljus i en högkoncentrerad lösning av radium 1910, men gick inte in på detaljer. 1926 beskrev franska radioterapeuter under ledning av Lucien strålningen av radium, som har ett kontinuerligt spektrum.
Physical Origin
Även om elektrodynamiken anser att ljusets hastighet i vakuum är en universell konstant (C), kan hastigheten med vilken ljus utbreder sig i ett medium vara mycket mindre än C. Hastigheten kan öka under kärnreaktioner och i partikelacceleratorer. Det är nu klart för forskarna att Cherenkov-strålning uppstår när en laddad elektron passerar genom ett optiskt transparent medium.
Den vanliga analogin är ljudet av ett supersnabbt flygplan. Dessa vågor, genererade av reaktiva kroppar,fortplantas med själva signalens hastighet. Partiklar divergerar långsammare än ett rörligt föremål och kan inte avancera framför det. Istället bildar de en slagfront. På samma sätt kan en laddad partikel generera en lätt stötvåg när den passerar genom något medium.
Hastigheten som ska överskridas är också en fashastighet, inte en grupphastighet. Den förra kan ändras drastiskt genom att använda ett periodiskt medium, i vilket fall man till och med kan få Cherenkov-strålning utan en minsta partikelhastighet. Detta fenomen är känt som Smith-Purcell-effekten. I ett mer komplext periodiskt medium, såsom en fotonisk kristall, kan många andra avvikande reaktioner också erhållas, såsom strålning i motsatt riktning.
Vad händer i reaktorn
I sina originalartiklar om de teoretiska grunderna skrev Tamm och Frank: "Cherenkov-strålning är en märklig reaktion som uppenbarligen inte kan förklaras av någon allmän mekanism, såsom interaktionen av en snabb elektron med en enda atom eller strålning. spridning i kärnor Å andra sidan kan detta fenomen förklaras både kvalitativt och kvantitativt, om vi tar hänsyn till det faktum att en elektron som rör sig i ett medium avger ljus, även om den rör sig jämnt, förutsatt att dess hastighet är större än ljus."
Det finns dock vissa missuppfattningar om Cherenkov-strålning. Till exempel anses det att mediet blir polariserat av partikelns elektriska fält. Om den senare rör sig långsamt, så tenderar rörelsen tillbaka tillmekanisk balans. Men när molekylen rör sig tillräckligt snabbt innebär mediets begränsade svarshastighet att jämvikten förblir i dess spår, och energin som finns i den utstrålas i form av en koherent stötvåg.
Sådana begrepp har inga analytiska motiveringar, eftersom elektromagnetisk strålning sänds ut när laddade partiklar rör sig i ett homogent medium med subluminala hastigheter, som inte anses vara Cherenkov-strålning.
Omvänt fenomen
Cherenkov-effekten kan erhållas med ämnen som kallas metamaterial med negativt index. Det vill säga med en subvåglängdsmikrostruktur, vilket ger dem en effektiv "genomsnittlig" egenskap som skiljer sig mycket från de andra, i detta fall med en negativ permittivitet. Detta betyder att när en laddad partikel passerar genom ett medium snabbare än fashastigheten, kommer den att avge strålning från sin passage genom den framifrån.
Det är också möjligt att erhålla Cherenkov-strålning med en invers kon i icke-metamateriella periodiska medier. Här är strukturen i samma skala som våglängden, så det kan inte anses vara ett effektivt homogent metamaterial.
Funktioner
Till skillnad från fluorescens- eller emissionsspektra, som har karakteristiska toppar, är Cherenkov-strålningen kontinuerlig. Runt den synliga glöden är den relativa intensiteten per frekvensenhet ungefärproportionell mot henne. Det vill säga högre värden är mer intensiva.
Det är därför den synliga Cherenkov-strålningen är klarblå. Faktum är att de flesta av processerna är i det ultravioletta spektrumet - bara med tillräckligt accelererade laddningar blir det synligt. Känsligheten hos det mänskliga ögat toppar i grönt och är mycket låg i den violetta delen av spektrumet.
Kärnreaktorer
Cherenkov-strålning används för att detektera laddade partiklar med hög energi. I enheter som kärnreaktorer frigörs betaelektroner som sönderfallsprodukter från klyvning. Glödet fortsätter efter att kedjereaktionen upphört, och dämpas när kortlivade ämnen sönderfaller. Cherenkov-strålning kan också karakterisera den återstående radioaktiviteten hos använda bränsleelement. Detta fenomen används för att kontrollera förekomsten av använt kärnbränsle i tankar.
