Čerenkovsko sevanje je elektromagnetna reakcija, ki se pojavi, ko nabiti delci prehajajo skozi prozoren medij s hitrostjo, ki je večja od enakega faznega indeksa svetlobe v istem mediju. Značilen modri sijaj podvodnega jedrskega reaktorja je posledica te interakcije.
Zgodovina
Sevanje je poimenovano po sovjetskem znanstveniku Pavlu Čerenkovu, dobitniku Nobelove nagrade za leto 1958. Prvi ga je eksperimentalno odkril pod nadzorom kolega leta 1934. Zato je znan tudi kot učinek Vavilov-Čerenkov.
Znanstvenik je med poskusi videl rahlo modrikasto svetlobo okoli radioaktivnega zdravila v vodi. Njegova doktorska disertacija je bila o luminiscenci raztopin uranovih soli, ki so bile vzbujane z gama žarki namesto z manj energijsko vidno svetlobo, kot je to običajno. Odkril je anizotropijo in ugotovil, da ta učinek ni fluorescentni pojav.
Čerenkovova teorijasevanje sta pozneje v okviru Einsteinove teorije relativnosti razvila znanstvenikova kolega Igor Tamm in Ilya Frank. Leta 1958 so prejeli tudi Nobelovo nagrado. Frank-Tammova formula opisuje količino energije, ki jo oddajajo sevani delci na enoto prevožene dolžine na enoto frekvence. To je lomni količnik materiala, skozi katerega prehaja naboj.
Čerenkovo sevanje kot stožčasto valovno fronto je teoretično napovedal angleški polimatik Oliver Heaviside v prispevkih, objavljenih med letoma 1888 in 1889, in Arnold Sommerfeld leta 1904. Toda oba sta bila po omejitvi relativnosti superdelcev do leta 1970 hitro pozabljena. Marie Curie je leta 1910 opazila bledo modro svetlobo v visoko koncentrirani raztopini radija, vendar se ni spuščala v podrobnosti. Leta 1926 so francoski radioterapevti pod vodstvom Luciena opisali svetlobno sevanje radija, ki ima neprekinjen spekter.
fizični izvor
Čeprav elektrodinamika meni, da je hitrost svetlobe v vakuumu univerzalna konstanta (C), je lahko hitrost, s katero se svetloba širi v mediju, veliko manjša od C. Hitrost se lahko poveča med jedrskimi reakcijami in v pospeševalnikih delcev. Zdaj je znanstvenikom jasno, da se Čerenkovo sevanje pojavi, ko nabit elektron preide skozi optično prozoren medij.
Običajna analogija je zvočni udar super hitrega letala. Ti valovi, ki jih ustvarjajo reaktivna telesa,širijo s hitrostjo samega signala. Delci se razhajajo počasneje kot premikajoči se predmet in ne morejo napredovati pred njim. Namesto tega tvorijo udarno fronto. Podobno lahko nabiti delec ustvari svetlobni udarni val, ko gre skozi nek medij.
Prav tako je hitrost, ki jo je treba preseči, fazna, ne skupinska. Prvega je mogoče drastično spremeniti z uporabo periodičnega medija, v tem primeru pa lahko dobimo celo čerenkovsko sevanje brez minimalne hitrosti delcev. Ta pojav je znan kot učinek Smith-Purcell. V bolj zapletenem periodičnem mediju, kot je fotonski kristal, je mogoče dobiti tudi številne druge anomalne reakcije, kot je sevanje v nasprotni smeri.
Kaj se zgodi v reaktorju
V svojih izvirnih prispevkih o teoretičnih osnovah sta Tamm in Frank zapisala: "Čerenkovo sevanje je posebna reakcija, ki je očitno ni mogoče razložiti z nobenim splošnim mehanizmom, kot je interakcija hitrega elektrona z enim atomom ali sevanje sipanje v jedra Po drugi strani pa je ta pojav mogoče razložiti tako kvalitativno kot kvantitativno, če upoštevamo dejstvo, da elektron, ki se giblje v mediju, oddaja svetlobo, tudi če se giblje enakomerno, pod pogojem, da je njegova hitrost večja od hitrosti svetloba."
Vendar pa obstaja nekaj napačnih predstav o sevanju Čerenkova. Na primer, velja, da se medij polarizira zaradi električnega polja delca. Če se slednji premika počasi, se gibanje nagiba nazaj kmehansko ravnovesje. Ko pa se molekula premika dovolj hitro, omejena odzivna hitrost medija pomeni, da ravnotežje ostane za njim in energija, ki jo vsebuje, se oddaja v obliki koherentnega udarnega vala.
Takšni koncepti nimajo analitične utemeljitve, saj se elektromagnetno sevanje oddaja, ko se nabiti delci gibljejo v homogenem mediju s subsvetalnimi hitrostmi, ki se ne štejejo za sevanje Čerenkova.
Povratni pojav
Učinek Čerenkova je mogoče doseči z uporabo snovi, imenovanih metamateriali z negativnim indeksom. Se pravi z mikrostrukturo pod valovno dolžino, ki jim daje učinkovito "povprečno" lastnost, ki se zelo razlikuje od drugih, v tem primeru ima negativno prepustnost. To pomeni, da ko nabit delec preide skozi medij, ki je hitrejši od fazne hitrosti, bo od spredaj oddajal sevanje pri prehodu skozi medij.
Mogoče je dobiti tudi Čerenkovsko sevanje z inverznim stožcem v periodičnih medijih brez metamateriala. Tukaj je struktura na istem merilu kot valovna dolžina, zato je ni mogoče šteti za učinkovito homogen metamaterial.
Funkcije
Za razliko od fluorescenčnih ali emisijskih spektrov, ki imajo značilne vrhove, je sevanje Čerenkova neprekinjeno. Okoli vidnega sijaja je relativna intenzivnost na enoto frekvence približnosorazmerno z njo. To pomeni, da so višje vrednosti intenzivnejše.
Zato je vidno sevanje Čerenkova svetlo modro. Pravzaprav je večina procesov v ultravijoličnem spektru – le z dovolj pospešenimi naboji postane viden. Občutljivost človeškega očesa je največja v zeleni barvi in je zelo nizka v vijoličnem delu spektra.
jedrski reaktorji
Čerenkovsko sevanje se uporablja za odkrivanje visokoenergijskih nabitih delcev. V enotah, kot so jedrski reaktorji, se beta elektroni sproščajo kot produkti cepitvenega razpada. Sijaj se nadaljuje, ko se verižna reakcija ustavi, zatemni, ko razpadejo krajše žive snovi. Tudi čerenkovsko sevanje lahko označuje preostalo radioaktivnost izrabljenih gorivnih elementov. Ta pojav se uporablja za preverjanje prisotnosti izrabljenega jedrskega goriva v rezervoarjih.
