Čerenkovljevo zračenje: opis, osnovni pojmovi

Čerenkovljevo zračenje je elektromagnetska reakcija koja se događa kada nabijene čestice prolaze kroz prozirni medij brzinom većom od slične fazne vrijednosti svjetlosti u istom mediju. Karakteristični plavi sjaj podvodnog nuklearnog reaktora posljedica je ove interakcije.

Povijest

Zračenje je dobilo ime po sovjetskom znanstveniku Pavelu Čerenkovu, dobitniku Nobelove nagrade 1958. godine. On je bio taj koji ga je prvi eksperimentalno otkrio pod nadzorom kolege 1934. godine. Stoga je poznat i kao Vavilov-Čerenkov efekt.

Znanstvenik je tijekom eksperimenata vidio slabo plavkasto svjetlo oko radioaktivnog lijeka u vodi. Njegova doktorska disertacija bavila se luminiscencijom otopina Uranovih soli koje su pobuđene gama zrakama umjesto manje energične vidljive svjetlosti, kao što se to obično radi. Otkrio je anizotropiju i zaključio da taj učinak nije fluorescentni fenomen.

Čerenkovljevu teoriju zračenja kasnije su u okviru Einsteinove teorije relativnosti razvili kolege znanstvenika Igor Tamm i Ilja Frank. Dobili su i Nobelovu nagradu 1958. godine. Frank-Tammova formula opisuje količinu energije koju emitiraju zračene čestice po jedinici prijeđene duljine po jedinici frekvencije. To je indeks loma materijala kroz koji prolazi naboj.

Čerenkovljevo zračenje kao konusnu valnu frontu teoretski su predvidjeli engleski polimat Oliver Heaviside u radovima objavljenim između 1888. i 1889. i Arnold Sommerfeld 1904. godine. Ali oboje su brzo zaboravljeni nakon što su ograničili relativnost superčestica sve do 1970-ih. Marie Curie promatrala je blijedoplavu svjetlost u visoko koncentriranoj otopini radija 1910. godine, ali nije razumjela detalje. U 1926-u, francuski radioterapeuti pod vodstvom Luciena opisali su užareno zračenje radija koje ima kontinuirani spektar.

Fizičko podrijetlo

Iako elektrodinamika smatra da je brzina svjetlosti u vakuumu univerzalna konstanta( C), sličan pokazatelj s kojim se sjaj širi u mediju može biti znatno manji od C. Brzina se može povećati tijekom nuklearnih reakcija i u akceleratorima čestica. Sada znanstvenici već razumiju da čerenkovljevo zračenje nastaje kada nabijeni elektron prolazi kroz optički prozirni medij.

Uobičajena analogija je zvučni bum ultrabrzog zrakoplova. Ti valovi generirani reaktivnim tijelima putuju brzinom samog signala. Čestice se razilaze sporije od objekta u pokretu i ne mogu se pomaknuti ispred njega. Umjesto toga, čine prednji dio udara. Na sličan način nabijena čestica može generirati lagani udarni val dok prolazi kroz neki medij.

Također, brzina koju treba premašiti je fazna, a ne grupna. Prvi se može dramatično izmijeniti korištenjem periodičnog medija, u kojem slučaju se čak može dobiti čerenkovljevo zračenje bez minimalne brzine čestica. Taj je fenomen poznat kao Smith-Purcell efekt. U složenijem periodičnom mediju, poput fotonskog kristala, mogu se dobiti i mnoge druge anomalne reakcije, poput zračenja unatrag.

Što se događa u reaktoru

U svojim izvornim radovima o teorijskim osnovama, Tamm i Frank napisali su: "Čerenkovljevo zračenje je osebujna reakcija, čini se da se ne može objasniti bilo kojim uobičajenim mehanizmom, poput interakcije brzog elektrona s jednim atomom ili raspršenja zračenja na jezgre. S druge strane, ovaj se fenomen može objasniti i kvalitativno i kvantitativno ako se uzme u obzir činjenica da elektron koji se kreće u mediju emitira svjetlost čak i ako se kreće jednoliko, pod uvjetom da je njegova brzina veća od svjetlosti."

Međutim, postoje neke zablude u vezi s čerenkovljevim zračenjem. Na primjer, smatra se da medij postaje polariziran električnim poljem čestice. Ako se potonji kreće polako, tada se kretanje vraća u mehaničku ravnotežu. Međutim, kada se molekula kreće dovoljno brzo, ograničena brzina odziva medija znači da ravnoteža ostaje u njenom tragu, a energija sadržana u njoj emitira se kao koherentni udarni val.

Takvi koncepti nemaju analitičku osnovu, jer se elektromagnetsko zračenje emitira kada se nabijene čestice kreću u homogenom mediju pri brzinama sub-svjetlosti koje se ne smatraju čerenkovljevim zračenjem.

Obrnuti fenomen

Čerenkov efekt može se dobiti korištenjem tvari koje se nazivaju metamaterijali s negativnim indeksom. To jest, s mikrostrukturom subvalne duljine koja im daje učinkovito" prosječno " svojstvo vrlo različito od ostalih, u ovom slučaju s negativnom permitivnošću. To znači da kada nabijena čestica prolazi kroz medij brzinom većom od faze, emitirat će zračenje iz svog prolaska kroz nju sprijeda.

Čerenkovljevo zračenje s obrnutim konusom također se može dobiti u nemetamaterijalnim periodičnim medijima. Ovdje struktura ima istu ljestvicu kao i valna duljina, pa se ne može smatrati učinkovito homogenim metamaterijalom.

Značajke

Za razliku od fluorescentnih ili emisijskih spektra koji imaju karakteristične vrhove, čerenkovljevo zračenje je kontinuirano. Oko vidljivog sjaja relativni intenzitet po jedinici frekvencije približno je proporcionalan njemu. Odnosno, veće vrijednosti su intenzivnije.

Zbog toga je vidljivo čerenkovljevo zračenje svijetloplave boje. Zapravo, većina procesa je u ultraljubičastom spektru — samo s dovoljno ubrzanim nabojima postaje vidljiva. Osjetljivost ljudskog oka doseže vrhunac zelene boje i vrlo je mala u ljubičastom dijelu spektra.

Nuklearni reaktori

Čerenkovljevo zračenje koristi se za otkrivanje visokoenergetskih nabijenih čestica. U jedinicama tipa nuklearnog reaktora beta elektroni se oslobađaju kao produkti fisije raspada. Sjaj se nastavlja nakon što lančana reakcija prestane, zatamnjujući kako se tvari kraćeg života raspadaju. Također, čerenkovljevo zračenje može karakterizirati preostalu radioaktivnost istrošenih elemenata goriva. To je fenomen koristi se za provjeru prisutnost istrošenog nuklearnog goriva u spremnicima.