Cherenkov-stråling er en elektromagnetisk reaksjon som oppstår når ladede partikler passerer gjennom et gjennomsiktig medium med en hastighet større enn den samme faseindeksen til lys i det samme mediet. Den karakteristiske blå gløden til en undervanns atomreaktor skyldes denne interaksjonen.
Historie
Strålingen er oppk alt etter den sovjetiske vitenskapsmannen Pavel Cherenkov, nobelprisvinner fra 1958. Det var han som først oppdaget det eksperimentelt under tilsyn av en kollega i 1934. Derfor er den også kjent som Vavilov-Cherenkov-effekten.
En forsker så et svakt blåaktig lys rundt et radioaktivt stoff i vann under eksperimenter. Doktorgradsavhandlingen hans handlet om luminescensen til løsninger av urans alter, som ble opphisset av gammastråler i stedet for det mindre energiske synlige lyset, slik man vanligvis gjør. Han oppdaget anisotropi og konkluderte med at denne effekten ikke var et fluorescerende fenomen.
Cherenkovs teoristråling ble senere utviklet innenfor rammen av Einsteins relativitetsteori av vitenskapsmannens kolleger Igor Tamm og Ilya Frank. De mottok også Nobelprisen i 1958. Frank-Tamm-formelen beskriver mengden energi som sendes ut av utstrålte partikler per lengdeenhet per frekvensenhet. Det er brytningsindeksen til materialet som ladningen passerer.
Cherenkov-stråling som en konisk bølgefront ble teoretisk forutsagt av den engelske polymaten Oliver Heaviside i artikler publisert mellom 1888 og 1889, og av Arnold Sommerfeld i 1904. Men begge ble raskt glemt etter begrensning av superpartikkelrelativitet frem til 1970-tallet. Marie Curie observerte blekblått lys i en høykonsentrert løsning av radium i 1910, men gikk ikke inn på detaljer. I 1926 beskrev franske stråleterapeuter ledet av Lucien den lysende strålingen av radium, som har et kontinuerlig spektrum.
Fysisk opprinnelse
Selv om elektrodynamikk anser at lyshastigheten i vakuum er en universell konstant (C), kan hastigheten som lyset forplanter seg med i et medium være mye mindre enn C. Hastigheten kan øke under kjernereaksjoner og i partikkelakseleratorer. Det er nå klart for forskere at Cherenkov-stråling oppstår når et ladet elektron passerer gjennom et optisk gjennomsiktig medium.
Den vanlige analogien er den soniske boomen til et superraskt fly. Disse bølgene, generert av reaktive kropper,forplante seg med hastigheten til selve signalet. Partikler divergerer saktere enn et objekt i bevegelse, og kan ikke gå foran det. I stedet danner de en støtfront. På samme måte kan en ladet partikkel generere en lett sjokkbølge når den passerer gjennom et medium.
Hastigheten som skal overskrides er også en fasehastighet, ikke en gruppehastighet. Førstnevnte kan endres drastisk ved å bruke et periodisk medium, i så fall kan man til og med oppnå Cherenkov-stråling uten minimum partikkelhastighet. Dette fenomenet er kjent som Smith-Purcell-effekten. I et mer komplekst periodisk medium, for eksempel en fotonisk krystall, kan mange andre uregelmessige reaksjoner også oppnås, for eksempel stråling i motsatt retning.
Hva skjer i reaktoren
I sine originale artikler om det teoretiske grunnlaget skrev Tamm og Frank: "Cherenkov-stråling er en særegen reaksjon som tilsynelatende ikke kan forklares av noen generell mekanisme, for eksempel interaksjonen av et raskt elektron med et enkelt atom eller stråling spredning inn i kjerner På den annen side kan dette fenomenet forklares både kvalitativt og kvantitativt, hvis vi tar i betraktning det faktum at et elektron som beveger seg i et medium sender ut lys, selv om det beveger seg jevnt, forutsatt at hastigheten er større enn hastigheten til lys."
Det er imidlertid noen misoppfatninger om Cherenkov-stråling. For eksempel anses det at mediet blir polarisert av det elektriske feltet til partikkelen. Hvis sistnevnte beveger seg sakte, så tenderer bevegelsen tilbake tilmekanisk balanse. Men når molekylet beveger seg raskt nok, betyr den begrensede responshastigheten til mediet at likevekt forblir i kjølvannet, og energien som finnes i det utstråles i form av en koherent sjokkbølge.
Slike konsepter har ingen analytisk begrunnelse, siden elektromagnetisk stråling sendes ut når ladede partikler beveger seg i et homogent medium ved subluminale hastigheter, som ikke anses som Cherenkov-stråling.
Omvendt fenomen
Cherenkov-effekten kan oppnås ved å bruke stoffer som kalles metamaterialer med negativ indeks. Det vil si med en mikrostruktur med subbølgelengde, som gir dem en effektiv "gjennomsnittlig" egenskap som er veldig forskjellig fra de andre, i dette tilfellet med en negativ permittivitet. Dette betyr at når en ladet partikkel passerer gjennom et medium raskere enn fasehastigheten, vil den sende ut stråling fra sin passasje gjennom den fra forsiden.
Det er også mulig å oppnå Cherenkov-stråling med en invers kjegle i ikke-metamaterielle periodiske medier. Her er strukturen i samme skala som bølgelengden, så den kan ikke betraktes som et effektivt homogent metamateriale.
Funksjoner
I motsetning til fluorescens- eller emisjonsspektra, som har karakteristiske topper, er Cherenkov-strålingen kontinuerlig. Rundt den synlige gløden er den relative intensiteten per frekvensenhet omtrentligproporsjonal med henne. Det vil si at høyere verdier er mer intense.
Dette er grunnen til at synlig Cherenkov-stråling er knallblå. Faktisk er de fleste prosessene i det ultrafiolette spekteret – bare med tilstrekkelig akselererte ladninger blir det synlig. Følsomheten til det menneskelige øyet topper i grønt og er svært lav i den fiolette delen av spekteret.
Atomreaktorer
Cherenkov-stråling brukes til å oppdage høyenergiladede partikler. I enheter som atomreaktorer frigjøres beta-elektroner som fisjonsråteprodukter. Gløden fortsetter etter at kjedereaksjonen stopper, og dimmer ettersom stoffer med kortere levetid forfaller. Cherenkov-stråling kan også karakterisere den gjenværende radioaktiviteten til brukte brenselelementer. Dette fenomenet brukes til å sjekke forekomsten av brukt kjernebrensel i tanker.
