Čerenkovljevo zračenje je elektromagnetska reakcija koja se događa kada nabijene čestice prolaze kroz prozirni medij brzinom većom od istog indeksa faze svjetlosti u istom mediju. Karakterističan plavi sjaj podvodnog nuklearnog reaktora rezultat je ove interakcije.
Povijest
Zračenje je nazvano po sovjetskom znanstveniku Pavelu Čerenkovu, dobitniku Nobelove nagrade 1958. On ga je prvi eksperimentalno otkrio pod nadzorom kolege 1934. godine. Stoga je poznat i kao Vavilov-Čerenkov efekt.
Znanstvenik je tijekom eksperimenata vidio slabu plavkastu svjetlost oko radioaktivnog lijeka u vodi. Njegova doktorska disertacija bila je o luminiscenciji otopina uranovih soli, koje su pobuđivale gama zrake umjesto manje energične vidljive svjetlosti, kako se to obično radi. Otkrio je anizotropiju i zaključio da ovaj učinak nije fluorescentni fenomen.
Čerenkovljeva teorijazračenje su kasnije u okviru Einsteinove teorije relativnosti razvili znanstvenici Igor Tamm i Ilya Frank. Dobili su i Nobelovu nagradu 1958. Frank-Tammova formula opisuje količinu energije koju emitiraju čestice zračenja po jedinici prijeđene duljine po jedinici frekvencije. To je indeks loma materijala kroz koji naboj prolazi.
Čerenkovljevo zračenje kao stožasti valni front teoretski je predvidio engleski polimatičar Oliver Heaviside u radovima objavljenim između 1888. i 1889. i Arnold Sommerfeld 1904. Ali oboje su brzo zaboravljeni nakon ograničenja relativnosti superčestica do 1970. godine. Marie Curie je 1910. promatrala blijedoplavu svjetlost u visoko koncentriranoj otopini radija, ali nije ulazila u detalje. Godine 1926. francuski radioterapeuti predvođeni Lucienom opisali su svjetlosno zračenje radija, koje ima kontinuirani spektar.
Fizičko porijeklo
Iako elektrodinamika smatra da je brzina svjetlosti u vakuumu univerzalna konstanta (C), brzina kojom se svjetlost širi u mediju može biti mnogo manja od C. Brzina se može povećati tijekom nuklearnih reakcija i u akceleratorima čestica. Znanstvenicima je sada jasno da se Čerenkovljevo zračenje događa kada nabijeni elektron prođe kroz optički prozirni medij.
Uobičajena analogija je zvučni bum superbrze letjelice. Ovi valovi koje stvaraju reaktivna tijela,širiti brzinom samog signala. Čestice se razilaze sporije od objekta koji se kreće i ne mogu napredovati ispred njega. Umjesto toga, oni tvore frontu udara. Slično, nabijena čestica može generirati svjetlosni udarni val kada prođe kroz neki medij.
Također, brzina koju treba prekoračiti je fazna brzina, a ne grupna brzina. Prvo se može drastično promijeniti korištenjem periodičnog medija, u kojem slučaju se čak može dobiti Čerenkovljevo zračenje bez minimalne brzine čestica. Ovaj fenomen je poznat kao Smith-Purcell efekt. U složenijem periodičnom mediju, kao što je fotonski kristal, također se mogu dobiti mnoge druge anomalne reakcije, kao što je zračenje u suprotnom smjeru.
Što se događa u reaktoru
U svojim originalnim radovima o teorijskim osnovama, Tamm i Frank napisali su: "Zračenje Čerenkova je neobična reakcija koja se očito ne može objasniti nikakvim općim mehanizmom, kao što je interakcija brzog elektrona s jednim atomom ili radijacijom raspršivanje u jezgre S druge strane, ovaj se fenomen može objasniti i kvalitativno i kvantitativno, ako uzmemo u obzir činjenicu da elektron koji se kreće u mediju emitira svjetlost, čak i ako se giba jednoliko, pod uvjetom da je njegova brzina veća od brzine svjetlo."
Međutim, postoje neke zablude o Čerenkovljevom zračenju. Na primjer, smatra se da medij postaje polariziran električnim poljem čestice. Ako se potonji kreće polako, tada se pokret teži natragmehanička ravnoteža. Međutim, kada se molekula kreće dovoljno brzo, ograničena brzina odgovora medija znači da ravnoteža ostaje iza njega, a energija sadržana u njoj zrači se u obliku koherentnog udarnog vala.
Takvi koncepti nemaju analitičko opravdanje, budući da se elektromagnetsko zračenje emitira kada se nabijene čestice kreću u homogenom mediju subluminalnim brzinama, koje se ne smatraju Čerenkovljevim zračenjem.
Obrnuti fenomen
Učinak Čerenkova može se dobiti upotrebom tvari koje se nazivaju metamaterijali s negativnim indeksom. Odnosno, s mikrostrukturom podvalne duljine, što im daje učinkovito "prosječno" svojstvo koje se jako razlikuje od ostalih, u ovom slučaju ima negativnu permitivnost. To znači da kada nabijena čestica prođe kroz medij brže od fazne brzine, ona će emitirati zračenje iz svog prolaska kroz njega s prednje strane.
Također je moguće dobiti Čerenkovljevo zračenje s inverznim stošcem u periodičnim medijima bez metamaterijala. Ovdje je struktura na istoj skali kao i valna duljina, tako da se ne može smatrati učinkovito homogenim metamaterijalom.
Značajke
Za razliku od spektra fluorescencije ili emisije, koji imaju karakteristične vrhove, Čerenkovljevo zračenje je kontinuirano. Oko vidljivog sjaja, relativni intenzitet po jedinici frekvencije je približnoproporcionalno njoj. Odnosno, veće vrijednosti su intenzivnije.
Zato je vidljivo Čerenkovljevo zračenje svijetloplavo. Zapravo, većina procesa je u ultraljubičastom spektru – tek s dovoljno ubrzanim nabojima postaje vidljiv. Osjetljivost ljudskog oka dostiže vrhunac zelene boje i vrlo je niska u ljubičastom dijelu spektra.
Nuklearni reaktori
Zračenje Čerenkova koristi se za detekciju visokoenergetskih nabijenih čestica. U jedinicama kao što su nuklearni reaktori, beta elektroni se oslobađaju kao produkti raspadanja fisije. Sjaj se nastavlja nakon što lančana reakcija prestane, prigušujući se kako se tvari kraćeg vijeka raspadaju. Također, zračenje Čerenkova može karakterizirati preostalu radioaktivnost istrošenih gorivnih elemenata. Ovaj se fenomen koristi za provjeru prisutnosti istrošenog nuklearnog goriva u spremnicima.
