Čerenkova starojums ir elektromagnētiska reakcija, kas rodas, kad uzlādētas daļiņas šķērso caurspīdīgu vidi ar ātrumu, kas ir lielāks par tādu pašu gaismas fāzes indeksu tajā pašā vidē. Zemūdens kodolreaktoram raksturīgais zils spīdums ir saistīts ar šo mijiedarbību.
Vēsture
Radiācija ir nosaukta padomju zinātnieka Pāvela Čerenkova, 1958. gada Nobela prēmijas laureāta, vārdā. Tieši viņš to pirmo reizi eksperimentāli atklāja kolēģa uzraudzībā 1934. gadā. Tāpēc to sauc arī par Vavilova-Čerenkova efektu.
Eksperimentu laikā zinātnieks redzēja vāju zilganu gaismu ap radioaktīvo vielu ūdenī. Viņa doktora disertācija bija par urāna sāļu šķīdumu luminiscenci, kurus ierosināja gamma stari, nevis mazāk enerģētiski redzamā gaisma, kā tas parasti tiek darīts. Viņš atklāja anizotropiju un secināja, ka šis efekts nav fluorescējoša parādība.
Čerenkova teorijaradiāciju vēlāk Einšteina relativitātes teorijas ietvaros izstrādāja zinātnieka kolēģi Igors Tamms un Iļja Franks. Viņi arī saņēma 1958. gada Nobela prēmiju. Franka-Tamma formula apraksta enerģijas daudzumu, ko izstaro izstarotās daļiņas uz garuma vienību, kas nobraukta frekvences vienībā. Tas ir tā materiāla refrakcijas indekss, caur kuru lādiņš iziet.
Čerenkova starojumu kā konisku viļņu fronti teorētiski prognozēja angļu polimāts Olivers Hevisids savos rakstos, kas publicēti no 1888. līdz 1889. gadam, un Arnolds Zomerfelds 1904. gadā. Taču abi tika ātri aizmirsti pēc superdaļiņu relativitātes ierobežojuma līdz 1970. gadiem. Marija Kirī 1910. gadā novēroja gaiši zilu gaismu ļoti koncentrētā rādija šķīdumā, taču neiedziļinājās detaļās. 1926. gadā franču staru terapeiti Lūsjēna vadībā aprakstīja rādija gaismas starojumu, kam ir nepārtraukts spektrs.
Fiziskā izcelsme
Lai gan elektrodinamikā tiek uzskatīts, ka gaismas ātrums vakuumā ir universāla konstante (C), gaismas izplatīšanās ātrums vidē var būt daudz mazāks par C. Ātrums var palielināties kodolreakciju laikā un daļiņu paātrinātājos.. Tagad zinātniekiem ir skaidrs, ka Čerenkova starojums rodas, kad uzlādēts elektrons iziet cauri optiski caurspīdīgai videi.
Parastā līdzība ir īpaši ātras lidmašīnas skaņas uzplaukums. Šie viļņi, ko rada reaktīvie ķermeņi,izplatīties ar paša signāla ātrumu. Daļiņas novirzās lēnāk nekā kustīgs objekts un nevar virzīties tam priekšā. Tā vietā tie veido trieciena fronti. Līdzīgi lādēta daļiņa var radīt vieglu triecienvilni, kad tā iziet cauri kādai videi.
Arī ātrums, kas jāpārsniedz, ir fāzes ātrums, nevis grupas ātrums. Pirmo var krasi mainīt, izmantojot periodisku vidi, un tādā gadījumā var iegūt pat Čerenkova starojumu bez minimāla daļiņu ātruma. Šī parādība ir pazīstama kā Smita-Pursela efekts. Sarežģītākā periodiskā vidē, piemēram, fotoniskā kristālā, var iegūt arī daudzas citas anomālas reakcijas, piemēram, starojumu pretējā virzienā.
Kas notiek reaktorā
Savos oriģinālajos dokumentos par teorētiskajiem pamatiem Tamms un Frenks rakstīja: "Čerenkova starojums ir savdabīga reakcija, ko acīmredzot nevar izskaidrot ar kādu vispārēju mehānismu, piemēram, ātra elektrona mijiedarbību ar vienu atomu vai starojumu. izkliedēšana kodolos Savukārt šo parādību var izskaidrot gan kvalitatīvi, gan kvantitatīvi, ja ņemam vērā to, ka vidē kustīgs elektrons izstaro gaismu, pat kustoties vienmērīgi, ja tā ātrums ir lielāks par gaisma."
Tomēr ir daži maldīgi priekšstati par Čerenkova starojumu. Piemēram, tiek uzskatīts, ka vide polarizējas daļiņas elektriskā lauka ietekmē. Ja pēdējais kustas lēni, tad kustībai ir tendence atgrieztiesmehāniskais līdzsvars. Tomēr, kad molekula pārvietojas pietiekami ātri, barotnes ierobežotais reakcijas ātrums nozīmē, ka līdzsvars saglabājas līdzsvarā un tajā esošā enerģija tiek izstarota koherenta triecienviļņa veidā.
Šādiem jēdzieniem nav analītiska pamatojuma, jo elektromagnētiskais starojums tiek izstarots, kad lādētas daļiņas pārvietojas viendabīgā vidē ar subluminālo ātrumu, ko neuzskata par Čerenkova starojumu.
Apgrieztā parādība
Čerenkova efektu var iegūt, izmantojot vielas, ko sauc par metamateriāliem ar negatīvu indeksu. Tas ir, ar apakšviļņa garuma mikrostruktūru, kas dod tiem efektīvu "vidējo" īpašību, kas ļoti atšķiras no citām, šajā gadījumā ar negatīvu caurlaidību. Tas nozīmē, ka tad, kad uzlādēta daļiņa iziet cauri barotnei ātrāk par fāzes ātrumu, tā izstaro starojumu no tās caurbraukšanas no priekšpuses.
Iespējams iegūt arī Čerenkova starojumu ar apgrieztu konusu nemetamateriālā periodiskā vidē. Šeit struktūra ir tādā pašā mērogā kā viļņa garums, tāpēc to nevar uzskatīt par efektīvi viendabīgu metamateriālu.
Funkcijas
Atšķirībā no fluorescences vai emisijas spektriem, kuriem ir raksturīgi maksimumi, Čerenkova starojums ir nepārtraukts. Ap redzamo mirdzumu relatīvā intensitāte uz frekvences vienību ir aptuveniproporcionāls viņai. Tas nozīmē, ka augstākas vērtības ir intensīvākas.
Tādēļ redzamais Čerenkova starojums ir spilgti zils. Patiesībā lielākā daļa procesu ir ultravioletajā spektrā – tikai ar pietiekami paātrinātiem lādiņiem tas kļūst redzams. Cilvēka acs jutības maksimums ir zaļā krāsā, un spektra violetajā daļā tā ir ļoti zema.
Kodolreaktori
Čerenkova starojumu izmanto, lai noteiktu augstas enerģijas lādētas daļiņas. Tādās vienībās kā kodolreaktori beta elektroni tiek atbrīvoti kā dalīšanās sabrukšanas produkti. Mirdzums turpinās arī pēc ķēdes reakcijas pārtraukšanas, kļūstot vājākam, jo īsāka mūža vielas sadalās. Arī Čerenkova starojums var raksturot atlikušo izlietoto kodoldegvielas elementu radioaktivitāti. Šo parādību izmanto, lai pārbaudītu, vai tvertnēs nav lietotas kodoldegvielas.
