Čerenkovovo žiarenie je elektromagnetická reakcia, ku ktorej dochádza, keď nabité častice prechádzajú cez priehľadné médium rýchlosťou väčšou, ako je rovnaký fázový index svetla v rovnakom médiu. Charakteristická modrá žiara podvodného jadrového reaktora je spôsobená touto interakciou.
História
Žiarenie je pomenované po sovietskom vedcovi Pavlovi Čerenkovovi, nositeľovi Nobelovej ceny z roku 1958. Bol to on, kto ho v roku 1934 pod dohľadom kolegu prvýkrát experimentálne objavil. Preto je známy aj ako Vavilov-Cherenkovov efekt.
Vedec počas experimentov videl okolo rádioaktívnej drogy vo vode slabé modrasté svetlo. Jeho dizertačná práca bola o luminiscencii roztokov solí uránu, ktoré boli excitované gama lúčmi namiesto menej energetického viditeľného svetla, ako sa to zvyčajne robí. Objavil anizotropiu a dospel k záveru, že tento efekt nebol fluorescenčný jav.
Čerenkovova teóriažiarenie neskôr v rámci Einsteinovej teórie relativity vyvinuli vedcovi kolegovia Igor Tamm a Ilja Frank. V roku 1958 dostali aj Nobelovu cenu. Frank-Tammov vzorec popisuje množstvo energie emitovanej vyžiarenými časticami na jednotku dĺžky prejdenej na jednotku frekvencie. Je to index lomu materiálu, cez ktorý náboj prechádza.
Čerenkovovo žiarenie ako kužeľovú vlnoplochu teoreticky predpovedal anglický polyhistor Oliver Heaviside v prácach publikovaných v rokoch 1888 až 1889 a Arnold Sommerfeld v roku 1904. Obe však boli rýchlo zabudnuté po obmedzení relativity superčastíc až do 70. rokov 20. storočia. Marie Curie pozorovala bledomodré svetlo vo vysoko koncentrovanom roztoku rádia v roku 1910, ale nezachádzala do detailov. V roku 1926 francúzski rádioterapeuti vedení Lucienom opísali svetelné žiarenie rádia, ktoré má spojité spektrum.
Fyzický pôvod
Hoci elektrodynamika zastáva názor, že rýchlosť svetla vo vákuu je univerzálna konštanta (C), rýchlosť, ktorou sa svetlo šíri v médiu, môže byť oveľa nižšia ako C. Rýchlosť sa môže zvýšiť počas jadrových reakcií a v urýchľovačoch častíc. Vedcom je teraz jasné, že Čerenkovovo žiarenie vzniká, keď nabitý elektrón prechádza cez opticky priehľadné médium.
Zvyčajná analógia je sonický tresk superrýchleho lietadla. Tieto vlny, generované reaktívnymi telesami,sa šíri rýchlosťou samotného signálu. Častice sa rozchádzajú pomalšie ako pohybujúci sa objekt a nemôžu pred ním postupovať. Namiesto toho tvoria prednú časť nárazu. Podobne môže nabitá častica generovať svetelnú rázovú vlnu, keď prechádza nejakým médiom.
Rýchlosť, ktorá sa má prekročiť, je tiež fázová rýchlosť, nie skupinová rýchlosť. To prvé možno drasticky zmeniť použitím periodického média, v takom prípade možno dokonca získať Čerenkovovo žiarenie bez minimálnej rýchlosti častíc. Tento jav je známy ako Smithov-Purcellov efekt. V zložitejšom periodickom médiu, akým je napríklad fotonický kryštál, je možné dosiahnuť aj mnoho ďalších anomálnych reakcií, ako je žiarenie v opačnom smere.
Čo sa deje v reaktore
Vo svojich pôvodných článkoch o teoretických základoch Tamm a Frank napísali: „Čerenkovovo žiarenie je zvláštna reakcia, ktorú zjavne nemožno vysvetliť žiadnym všeobecným mechanizmom, ako je interakcia rýchleho elektrónu s jedným atómom alebo vyžarovanie. rozptyl do jadier Na druhej strane sa tento jav dá vysvetliť kvalitatívne aj kvantitatívne, ak vezmeme do úvahy skutočnosť, že elektrón pohybujúci sa v prostredí vyžaruje svetlo, aj keď sa pohybuje rovnomerne, za predpokladu, že jeho rýchlosť je väčšia ako rýchlosť svetlo."
O Čerenkovovom žiarení však existuje niekoľko mylných predstáv. Napríklad sa predpokladá, že médium sa polarizuje elektrickým poľom častice. Ak sa druhý pohybuje pomaly, pohyb má tendenciu späťmechanické vyváženie. Keď sa však molekula pohybuje dostatočne rýchlo, obmedzená rýchlosť odozvy média znamená, že v jej stope zostáva rovnováha a energia v nej obsiahnutá je vyžarovaná vo forme koherentnej rázovej vlny.
Takéto koncepty nemajú žiadne analytické opodstatnenie, pretože elektromagnetické žiarenie sa vyžaruje, keď sa nabité častice pohybujú v homogénnom prostredí subluminálnymi rýchlosťami, ktoré sa nepovažujú za Čerenkovovo žiarenie.
Reverzný jav
Čerenkovov efekt možno dosiahnuť pomocou látok nazývaných metamateriály so záporným indexom. Teda s mikroštruktúrou pod vlnovou dĺžkou, ktorá im dáva efektívnu „priemernú“vlastnosť, ktorá je veľmi odlišná od ostatných, v tomto prípade majúcich negatívnu permitivitu. To znamená, že keď nabitá častica prejde médiom rýchlejšie, ako je fázová rýchlosť, vyžaruje z jej prechodu spredu žiarenie.
Je tiež možné získať Čerenkovovo žiarenie s inverzným kužeľom v nemetamateriálových periodických médiách. Tu je štruktúra v rovnakej mierke ako vlnová dĺžka, takže ju nemožno považovať za efektívne homogénny metamateriál.
Funkcie
Na rozdiel od fluorescenčných alebo emisných spektier, ktoré majú charakteristické vrcholy, je Čerenkovovo žiarenie spojité. Okolo viditeľnej žiary je relatívna intenzita na jednotku frekvencie približneúmerné jej. To znamená, že vyššie hodnoty sú intenzívnejšie.
To je dôvod, prečo je viditeľné Čerenkovovo žiarenie jasne modré. V skutočnosti je väčšina procesov v ultrafialovom spektre - iba s dostatočne zrýchlenými nábojmi sa stáva viditeľným. Citlivosť ľudského oka vrcholí zelenou farbou a je veľmi nízka vo fialovej časti spektra.
Jadrové reaktory
Čerenkovovo žiarenie sa používa na detekciu vysokoenergetických nabitých častíc. V jednotkách, ako sú jadrové reaktory, sa beta elektróny uvoľňujú ako produkty štiepneho rozpadu. Žiara pokračuje aj po zastavení reťazovej reakcie a stmavne, keď sa látky s kratšou životnosťou rozkladajú. Čerenkovovo žiarenie môže tiež charakterizovať zostávajúcu rádioaktivitu prvkov vyhoreného paliva. Tento jav sa používa na kontrolu prítomnosti vyhoreného jadrového paliva v nádržiach.
