Čerenkovovo žiarenie: popis, základné pojmy

. Čerenkovovo žiarenie je elektromagnetická reakcia, ku ktorej dochádza, keď nabité častice prechádzajú priehľadným médiom rýchlosťou vyššou ako je podobný fázový index svetla v rovnakom médiu. Charakteristická modrá žiara podvodného jadrového reaktora je spôsobená touto interakciou.

História

Žiarenie je pomenované po Sovietskom vedcovi Pavlovi Čerenkovovi, nositeľovi Nobelovej ceny v roku 1958. Bol to on, kto to prvýkrát objavil experimentálne pod dohľadom kolegu v roku 1934. Preto je známy aj ako Vavilov-Čerenkovov efekt.

Vedec počas experimentov videl okolo rádioaktívneho liečiva vo vode slabé modrasté svetlo. Jeho dizertačná práca bola venovaná luminiscencii roztokov solí uránu, ktoré boli excitované gama lúčmi namiesto menej energetického viditeľného svetla, ako sa to zvyčajne robí. Objavil anizotropiu a dospel k záveru, že tento účinok nie je fluorescenčným javom.

Teória Čerenkovovho žiarenia bola neskôr vyvinutá v rámci Einsteinovej teórie relativity kolegami vedca Igora Tamma a Iľju Franka. Dostali tiež Nobelovu cenu za rok 1958. Frank - tammov vzorec popisuje množstvo energie emitovanej vyžarovanými časticami na jednotku dĺžky cesty prejdenej na jednotku frekvencie. Je to index lomu materiálu, cez ktorý prechádza náboj.

Čerenkovovo žiarenie ako front kužeľovej vlny teoreticky predpovedal anglický polymat Oliver Heaviside v prácach publikovaných v rokoch 1888 až 1889 a Arnold Sommerfeld v roku 1904. Ale obaja boli rýchlo zabudnutí po obmedzení teórie relativity superčastíc až do roku 1970. Marie Curie pozorovala bledomodré svetlo vo vysoko koncentrovanom roztoku rádia v roku 1910, ale nerozumela detailom. V roku 1926 francúzski rádioterapeuti pod vedením Luciena opísali svetelné žiarenie rádia, ktoré má nepretržité spektrum.

Fyzický pôvod

Aj keď sa elektrodynamika domnieva, že rýchlosť svetla vo vákuu je univerzálna Konštanta (C), podobný indikátor, s ktorým sa žiara šíri v médiu, môže byť podstatne menší ako s. Rýchlosť sa môže zvýšiť počas jadrových reakcií a v urýchľovačoch častíc. Teraz vedci už chápu, že čerenkovovo žiarenie nastáva, keď nabitý elektrón prechádza opticky priehľadným médiom.

Zvyčajnou analógiou je zvukový boom ultrarýchleho lietadla. Tieto vlny generované pomocou reaktívnych telies sa šíria rýchlosťou samotného signálu. Častice sa rozptyľujú pomalšie ako pohybujúci sa objekt a nemôžu pred ním napredovať. Namiesto toho tvoria nárazovú prednú časť. Podobne , nabitá častica môže generovať svetelnú rázovú vlnu, keď prechádza cez nejaké médium.

Rýchlosť, ktorá by sa mala prekročiť, je navyše fáza, nie skupina. Prvý môže byť drasticky zmenený pomocou periodického média a v tomto prípade je dokonca možné získať Čerenkovovo žiarenie bez minimálnej rýchlosti častíc. Tento jav je známy ako Smith-Purcellov efekt. V zložitejšom periodickom médiu, ako je fotonický kryštál, je možné získať aj mnoho ďalších anomálnych reakcií, ako je žiarenie v opačnom smere.

Čo sa deje v reaktore

Tamm a Frank vo svojich pôvodných prácach na teoretických základoch napísali: "Čerenkovovo žiarenie je zvláštna reakcia, zjavne ju nemožno vysvetliť žiadnym všeobecným mechanizmom, ako je interakcia rýchleho elektrónu s jediným atómom alebo rozptyl žiarenia do jadier. Na druhej strane tento jav možno vysvetliť kvalitatívne aj kvantitatívne, ak vezmeme do úvahy skutočnosť, že elektrón pohybujúci sa v médiu vyžaruje svetlo, aj keď sa pohybuje rovnomerne, za predpokladu, že jeho rýchlosť je väčšia ako rýchlosť svetla."

Existujú však určité mylné predstavy o Čerenkovovom žiarení. Napríklad sa predpokladá, že médium sa polarizuje elektrickým poľom častice. Ak sa tento pohybuje pomaly, potom má pohyb tendenciu späť k mechanickej rovnováhe. Keď sa však molekula pohybuje dostatočne rýchlo, obmedzená rýchlosť odozvy média znamená, že rovnováha zostáva v jej brázde a energia v nej obsiahnutá je vyžarovaná ako koherentná rázová vlna.

Takéto koncepty nemajú analytické opodstatnenie, pretože elektromagnetické žiarenie sa emituje, keď sa nabité častice pohybujú v homogénnom médiu s čiastkovými rýchlosťami svetla, ktoré sa nepovažujú za Čerenkovovo žiarenie.

Opačný jav

Čerenkovov efekt je možné dosiahnuť použitím látok nazývaných metamateriály s negatívnym indexom. To znamená, že s mikroštruktúrou pod vlnovou dĺžkou, ktorá im dáva efektívnu" priemernú " vlastnosť, veľmi odlišnú od ostatných, v tomto prípade s negatívnou permitivitou. To znamená, že keď nabitá častica prechádza médiom rýchlosťou presahujúcou fázovú, bude vyžarovať žiarenie z jeho prechodu spredu.

Je tiež možné získať Čerenkovovo žiarenie s inverzným kužeľom v nemamateriálových periodických médiách. Tu má štruktúra rovnakú mierku ako vlnová dĺžka, takže ju nemožno považovať za efektívne homogénny metamateriál.

Špecifikácia

Na rozdiel od fluorescenčných alebo emisných spektier, ktoré majú charakteristické vrcholy, je Čerenkovovo žiarenie nepretržité. Okolo viditeľnej žiary je relatívna intenzita na jednotku frekvencie približne úmerná. To znamená, že vyššie hodnoty sú intenzívnejšie.

Preto má viditeľné Čerenkovovo žiarenie jasne modrú farbu. V skutočnosti je väčšina procesov v ultrafialovom spektre — iba pri dostatočne zrýchlených nábojoch sa stáva viditeľným. Citlivosť ľudského oka dosahuje vrchol zelene a vo fialovej časti spektra je veľmi malá.

Jadrové reaktory

Čerenkovovo žiarenie sa používa na detekciu vysokoenergetických nabitých častíc. V jednotkách, ako sú jadrové reaktory, sa beta elektróny uvoľňujú ako produkty štiepneho rozpadu. Žiara pokračuje aj po zastavení reťazovej reakcie a stmavne ako látky s kratším rozpadom životnosti. Čerenkovovo žiarenie môže tiež charakterizovať zostávajúcu rádioaktivitu vypršaných palivových článkov. Tento jav používa sa na kontrolu prítomnosť vyhoretého jadrového paliva v nádržiach.