Promieniowanie czerenkowa: opis, podstawowe pojęcia

Promieniowanie Czerenkowa to reakcja elektromagnetyczna, która zachodzi, gdy naładowane cząstki przechodzą przez przezroczysty ośrodek z prędkością większą niż światło w tym samym ośrodku. Charakterystyczna niebieska poświata podwodnego reaktora jądrowego jest wynikiem tego oddziaływania.

Historia

Promieniowanie nosi nazwę od nazwiska radzieckiego naukowca Pawła Czerenkowa, laureata Nagrody Nobla w 1958 r. To on pierwszy odkrył ją doświadczalnie pod obserwacją kolegi w 1934 roku. Dlatego jest on znany również jako efekt Vavilova-Cherenkova.

Naukowiec podczas eksperymentów widział słabe niebieskawe światło wokół radioaktywnego leku w wodzie. Jego praca doktorska dotyczyła luminescencji roztworów soli uranu, które były wzbudzane promieniami gamma, a nie mniej energetycznym światłem widzialnym, jak to się zwykle robi. Stwierdził on anizotropię i stwierdził, że efekt ten nie jest zjawiskiem fluorescencji.

Teoria promieniowania Czerenkowa została później rozwinięta w ramach teorii względności Einsteina przez kolegów naukowców Igora Tamma i Ilję Franka. Otrzymali również Nagrodę Nobla w 1958 r. Wzór Francka-Tamma opisuje ilość energii emitowanej przez emitowane cząstki na jednostkę długości drogi na jednostkę częstotliwości. Jest to współczynnik załamania światła materiału, przez który przechodzi ładunek.

Promieniowanie Czerenkowa jako stożkowe czoło fali zostało teoretycznie przewidziane przez angielskiego polimatę Olivera Heaviside`a w pracach opublikowanych w latach 1888-1889 oraz przez Arnolda Sommerfelda w 1904 roku. Oba te zjawiska zostały jednak szybko zapomniane po ograniczeniu supercząsteczkowej teorii względności do lat 70. XX wieku. Marie Curie w 1910 roku zaobserwowała bladoniebieskie światło w wysoko stężonym roztworze radu, ale nie zagłębiała się w szczegóły. W 1926 roku francuscy radioterapeuci pod kierownictwem Luciena opisali promieniowanie świetlne z radu, które miało ciągłe widmo.

Fizyczne pochodzenie

Chociaż elektrodynamika utrzymuje, że prędkość światła w próżni jest uniwersalną stałą (C), analogiczna prędkość, z jaką luminescencja rozchodzi się w ośrodku, może być znacznie mniejsza niż C. Prędkość może wzrosnąć podczas reakcji jądrowych i w akceleratorach cząstek. Naukowcy rozumieją teraz, że promieniowanie Czerenkowa powstaje, gdy naładowany elektron przechodzi przez optycznie przezroczysty ośrodek.

Częstą analogią jest boom soniczny ultraszybkiego samolotu. Fale te, generowane przez ciała reaktywne, rozchodzą się z prędkością samego sygnału. Cząstki rozchodzą się wolniej niż poruszający się obiekt i nie mogą go wyprzedzić. Zamiast tego tworzy się front uderzeniowy. Podobnie cząstka naładowana może generować lekką falę uderzeniową podczas przechodzenia przez ośrodek.

Ponadto prędkość, którą należy przekroczyć, to prędkość fazowa, a nie prędkość grupowa. To pierwsze można drastycznie zmienić stosując ośrodek periodyczny, w którym to przypadku można nawet uzyskać promieniowanie Czerenkowa bez minimalnej prędkości cząstek. Zjawisko to znane jest jako efekt Smitha-Purcella. W bardziej złożonym ośrodku periodycznym, takim jak kryształ fotoniczny, można również wywołać wiele innych anomalnych reakcji, takich jak promieniowanie w przeciwnym kierunku.

Co się dzieje w reaktorze

W swoich oryginalnych pracach na temat podstaw teoretycznych Tamm i Frank pisali: "Promieniowanie Czerenkowa jest osobliwą reakcją, której najwyraźniej nie da się wyjaśnić żadnym ogólnym mechanizmem, takim jak oddziaływanie szybkiego elektronu z pojedynczym atomem czy rozpraszanie promieniowania na jądrach. Z drugiej strony, zjawisko to można wyjaśnić zarówno jakościowo, jak i ilościowo, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że elektron poruszający się w ośrodku emituje światło, nawet jeśli porusza się jednostajnie, pod warunkiem, że jego prędkość jest większa od prędkości światła."

Istnieją jednak pewne błędne przekonania na temat promieniowania Czerenkowa. Na przykład uważa się, że ośrodek zostaje spolaryzowany przez pole elektryczne cząstki. Jeśli ta druga porusza się powoli, to ruch ma tendencję do powrotu do równowagi mechanicznej. Jednak gdy cząsteczka porusza się wystarczająco szybko, ograniczona szybkość reakcji ośrodka sprawia, że równowaga pozostaje w swoim śladzie, a zawarta w niej energia zostaje wypromieniowana w postaci spójnej fali uderzeniowej.

Takie koncepcje nie mają uzasadnienia analitycznego, gdyż promieniowanie elektromagnetyczne jest emitowane, gdy naładowane cząstki poruszają się w jednorodnym ośrodku z prędkościami subluminalnymi, co nie jest traktowane jako promieniowanie Czerenkowa.

Zjawisko odwrotne

Efekt Czerenkowa można uzyskać stosując substancje zwane metamateriałami o ujemnym indeksie. To znaczy, z mikrostrukturą podfalową, która nadaje im efektywną właściwość "środkową", bardzo różną od reszty, w tym przypadku posiadającą ujemną przenikalność. Oznacza to, że gdy naładowana cząstka porusza się przez ośrodek z prędkością przekraczającą prędkość fazową, to emituje promieniowanie ze swojego przejścia przez ośrodek przed.

Możliwe jest również wytwarzanie promieniowania Czerenkowa o odwrotnym stożku w niemetamaterialnych ośrodkach periodycznych. Tutaj struktura jest w tej samej skali co długość fali, więc nie może być traktowana jako efektywnie jednorodny metamateriał.

Charakterystyka

W przeciwieństwie do widm fluorescencji czy emisji, które mają charakterystyczne piki, promieniowanie Czerenkowa jest ciągłe. Wokół widzialnego blasku względne natężenie na jednostkę częstotliwości jest w przybliżeniu proporcjonalne do. To znaczy, że wyższe wartości oznaczają większą intensywność.

To dlatego widzialne promieniowanie Czerenkowa jest jasnoniebieskie. W rzeczywistości większość procesów zachodzi w widmie ultrafioletowym - dopiero przy odpowiednio przyspieszonych ładunkach staje się ono widoczne. Czułość ludzkiego oka osiąga szczyt w zielonej części widma i jest bardzo niska w części fioletowej.

Reaktory jądrowe

Promieniowanie Czerenkowa jest wykorzystywane do wykrywania cząstek naładowanych przy wysokich energiach. W urządzeniach takich jak reaktory jądrowe elektrony beta są uwalniane jako produkty rozszczepienia. Blask utrzymuje się po ustaniu reakcji łańcuchowej, ciemniejąc w miarę rozpadu substancji o krótszym czasie życia. Promieniowanie Czerenkowa może również charakteryzować pozostałą radioaktywność elementów paliwowych wycofanych z eksploatacji. Zjawisko służy do sprawdzenia obecność wypalonego paliwa jądrowego w zbiornikach.