Η ακτινοβολία Cherenkov είναι μια ηλεκτρομαγνητική αντίδραση που συμβαίνει όταν φορτισμένα σωματίδια περνούν μέσα από ένα διαφανές μέσο με ταχύτητα μεγαλύτερη από τον ίδιο δείκτη φάσης φωτός στο ίδιο μέσο. Η χαρακτηριστική μπλε λάμψη ενός υποβρύχιου πυρηνικού αντιδραστήρα οφείλεται σε αυτή την αλληλεπίδραση.
Ιστορία
Η ακτινοβολία πήρε το όνομά της από τον Σοβιετικό επιστήμονα Πάβελ Τσερένκοφ, βραβευμένο με Νόμπελ το 1958. Ήταν αυτός που το ανακάλυψε για πρώτη φορά πειραματικά υπό την επίβλεψη ενός συναδέλφου το 1934. Ως εκ τούτου, είναι επίσης γνωστό ως το φαινόμενο Vavilov-Cherenkov.
Ένας επιστήμονας είδε ένα αχνό μπλε φως γύρω από ένα ραδιενεργό φάρμακο στο νερό κατά τη διάρκεια πειραμάτων. Η διδακτορική του διατριβή αφορούσε τη φωταύγεια των διαλυμάτων αλάτων ουρανίου, τα οποία διεγείρονταν από τις ακτίνες γάμμα αντί του λιγότερο ενεργητικού ορατού φωτός, όπως γίνεται συνήθως. Ανακάλυψε την ανισοτροπία και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτό το φαινόμενο δεν ήταν φθορίζον φαινόμενο.
Η θεωρία του ΤσερένκοφΗ ακτινοβολία αναπτύχθηκε αργότερα στο πλαίσιο της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν από τους συναδέλφους του επιστήμονα Igor Tamm και Ilya Frank. Έλαβαν επίσης το βραβείο Νόμπελ το 1958. Ο τύπος Frank-Tamm περιγράφει την ποσότητα ενέργειας που εκπέμπεται από τα ακτινοβολούμενα σωματίδια ανά μονάδα μήκους που διανύεται ανά μονάδα συχνότητας. Είναι ο δείκτης διάθλασης του υλικού από το οποίο διέρχεται το φορτίο.
Η ακτινοβολία Cherenkov ως κωνικό μέτωπο κύματος προβλέφθηκε θεωρητικά από τον Άγγλο πολυμαθή Oliver Heaviside σε έγγραφα που δημοσιεύθηκαν μεταξύ 1888 και 1889, και από τον Arnold Sommerfeld το 1904. Αλλά και τα δύο ξεχάστηκαν γρήγορα μετά τον περιορισμό της σχετικότητας των υπερσωματιδίων μέχρι το 1999. Η Μαρία Κιουρί παρατήρησε ανοιχτό μπλε φως σε ένα εξαιρετικά συμπυκνωμένο διάλυμα ραδίου το 1910, αλλά δεν μπήκε σε λεπτομέρειες. Το 1926, Γάλλοι ακτινοθεραπευτές με επικεφαλής τον Lucien περιέγραψαν τη φωτεινή ακτινοβολία του ραδίου, η οποία έχει συνεχές φάσμα.
Φυσική Προέλευση
Αν και η ηλεκτροδυναμική θεωρεί ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι μια καθολική σταθερά (C), ο ρυθμός με τον οποίο το φως διαδίδεται σε ένα μέσο μπορεί να είναι πολύ μικρότερος από τον C. Η ταχύτητα μπορεί να αυξηθεί κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων και σε επιταχυντές σωματιδίων. Είναι πλέον σαφές στους επιστήμονες ότι η ακτινοβολία Cherenkov εμφανίζεται όταν ένα φορτισμένο ηλεκτρόνιο διέρχεται από ένα οπτικά διαφανές μέσο.
Η συνηθισμένη αναλογία είναι η ηχητική έκρηξη ενός υπερ-γρήγορου αεροσκάφους. Αυτά τα κύματα, που δημιουργούνται από αντιδραστικά σώματα,διαδίδεται με την ταχύτητα του ίδιου του σήματος. Τα σωματίδια αποκλίνουν πιο αργά από ένα κινούμενο αντικείμενο και δεν μπορούν να προχωρήσουν μπροστά του. Αντίθετα, σχηματίζουν ένα μέτωπο κρούσης. Ομοίως, ένα φορτισμένο σωματίδιο μπορεί να δημιουργήσει ένα ελαφρύ κρουστικό κύμα όταν διέρχεται από κάποιο μέσο.
Επίσης, η ταχύτητα προς υπέρβαση είναι ταχύτητα φάσης και όχι ταχύτητα ομάδας. Το πρώτο μπορεί να αλλάξει δραστικά χρησιμοποιώντας ένα περιοδικό μέσο, οπότε μπορεί κανείς να λάβει ακόμη και ακτινοβολία Cherenkov χωρίς ελάχιστη ταχύτητα σωματιδίων. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως φαινόμενο Smith-Purcell. Σε ένα πιο πολύπλοκο περιοδικό μέσο, όπως ένας φωτονικός κρύσταλλος, μπορούν επίσης να ληφθούν πολλές άλλες ανώμαλες αντιδράσεις, όπως η ακτινοβολία προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Τι συμβαίνει στον αντιδραστήρα
Στις αρχικές εργασίες τους για τα θεωρητικά θεμέλια, οι Tamm και Frank έγραψαν: «Η ακτινοβολία Cherenkov είναι μια περίεργη αντίδραση που προφανώς δεν μπορεί να εξηγηθεί με κανένα γενικό μηχανισμό, όπως η αλληλεπίδραση ενός γρήγορου ηλεκτρονίου με ένα μόνο άτομο ή ακτινοβολία σκέδαση σε πυρήνες Από την άλλη πλευρά, αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά, αν λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε ένα μέσο εκπέμπει φως, ακόμη κι αν κινείται ομοιόμορφα, με την προϋπόθεση ότι η ταχύτητά του είναι μεγαλύτερη από αυτή του φως."
Ωστόσο, υπάρχουν κάποιες εσφαλμένες αντιλήψεις σχετικά με την ακτινοβολία Cherenkov. Για παράδειγμα, θεωρείται ότι το μέσο πολώνεται από το ηλεκτρικό πεδίο του σωματιδίου. Εάν το τελευταίο κινείται αργά, τότε η κίνηση τείνει προς τα πίσωμηχανική ισορροπία. Ωστόσο, όταν το μόριο κινείται αρκετά γρήγορα, η περιορισμένη ταχύτητα απόκρισης του μέσου σημαίνει ότι η ισορροπία παραμένει στο πέρασμά του και η ενέργεια που περιέχεται σε αυτό ακτινοβολείται με τη μορφή ενός συνεκτικού κρουστικού κύματος.
Τέτοιες έννοιες δεν έχουν αναλυτική αιτιολόγηση, καθώς η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται όταν φορτισμένα σωματίδια κινούνται σε ένα ομοιογενές μέσο με υποφωτεινές ταχύτητες, οι οποίες δεν θεωρούνται ως ακτινοβολία Cherenkov.
Αντίστροφο φαινόμενο
Το φαινόμενο Cherenkov μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας ουσίες που ονομάζονται μεταϋλικά με αρνητικό δείκτη. Δηλαδή με μικροδομή υπομήκους κύματος, που τους δίνει μια αποτελεσματική «μέση» ιδιότητα που είναι πολύ διαφορετική από τις άλλες, έχοντας σε αυτή την περίπτωση αρνητική διαπερατότητα. Αυτό σημαίνει ότι όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο διέρχεται από ένα μέσο γρηγορότερα από την ταχύτητα φάσης, θα εκπέμπει ακτινοβολία από το πέρασμά του από το μπροστινό μέρος.
Είναι επίσης δυνατό να ληφθεί η ακτινοβολία Cherenkov με έναν αντίστροφο κώνο σε μη μεταϋλικά περιοδικά μέσα. Εδώ, η δομή είναι στην ίδια κλίμακα με το μήκος κύματος, επομένως δεν μπορεί να θεωρηθεί αποτελεσματικά ομοιογενές μεταϋλικό.
Λειτουργίες
Σε αντίθεση με τα φάσματα φθορισμού ή εκπομπής, τα οποία έχουν χαρακτηριστικές κορυφές, η ακτινοβολία Cherenkov είναι συνεχής. Γύρω από την ορατή λάμψη, η σχετική ένταση ανά μονάδα συχνότητας είναι περίπουανάλογη με αυτήν. Δηλαδή, οι υψηλότερες τιμές είναι πιο έντονες.
Γι' αυτό η ορατή ακτινοβολία Cherenkov είναι φωτεινό μπλε. Στην πραγματικότητα, οι περισσότερες διεργασίες βρίσκονται στο υπεριώδες φάσμα - μόνο με επαρκώς επιταχυνόμενα φορτία γίνεται ορατό. Η ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού κορυφώνεται με πράσινο χρώμα και είναι πολύ χαμηλή στο ιώδες τμήμα του φάσματος.
Πυρηνικοί αντιδραστήρες
Η ακτινοβολία Cherenkov χρησιμοποιείται για την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Σε μονάδες όπως πυρηνικοί αντιδραστήρες, τα ηλεκτρόνια βήτα απελευθερώνονται ως προϊόντα διάσπασης της σχάσης. Η λάμψη συνεχίζεται μετά τη διακοπή της αλυσιδωτής αντίδρασης, εξασθενώντας καθώς αποσυντίθενται ουσίες μικρότερης διάρκειας ζωής. Επίσης, η ακτινοβολία Cherenkov μπορεί να χαρακτηρίσει την υπόλοιπη ραδιενέργεια των στοιχείων αναλωμένου καυσίμου. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της παρουσίας αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου στις δεξαμενές.
