Čerenkovljevo zračenje: opis, osnovni pojmovi

Čerenkovljevo zračenje je elektromagnetna reakcija koja se javlja kada nabijene čestice prolaze kroz prozirni medij brzinom većom od sličnog faznog indeksa svjetlosti u istom mediju. Karakterističan plavi sjaj podvodnog nuklearnog reaktora rezultat je ove interakcije.

Historija

Zračenje je dobilo ime po Sovjetskom naučniku Pavelu Čerenkovu, dobitniku Nobelove nagrade 1958. godine. On ga je prvi eksperimentalno otkrio pod nadzorom kolege 1934. godine. Stoga je poznat i kao Vavilov-Čerenkov efekat.

Naučnik je tokom eksperimenata ugledao slabu plavkastu svjetlost oko radioaktivnog lijeka u vodi. Njegova doktorska disertacija bila je posvećena luminiscenciji rastvora soli uranijuma, koje su bile pobuđene gama zracima umesto manje energične vidljive svetlosti, kao što se obično radi. Otkrio je anizotropiju i zaključio da ovaj efekat nije fluorescentni fenomen.

Teoriju čerenkovljevog zračenja kasnije su u okviru Ajnštajnove teorije relativnosti razvile kolege naučnika Igora Tamma i Ilje Franka. Dobili su i Nobelovu nagradu 1958. godine. Formula Frank-Tamm opisuje količinu energije koju emituju zračene čestice po jedinici dužine pređenog puta po jedinici frekvencije. To je indeks prelamanja materijala kroz koji naelektrisanje prolazi.

Čerenkovljevo zračenje kao konusni talasni front teoretski je predvideo engleski polimatičar Oliver Heaviside u radovima objavljenim između 1888. i 1889. i Arnold Sommerfeld 1904. godine. Ali obje su brzo zaboravljene nakon ograničenja teorije relativnosti superčestica sve do 1970-ih. Marie Curie je 1910. godine primijetila blijedoplavu svjetlost u visoko koncentriranom rastvoru radija, ali nije razumjela detalje. Godine 1926. francuski radioterapeuti pod vodstvom Luciena opisali su svjetlosno zračenje radijuma koji ima kontinuirani spektar.

Fizičko porijeklo

Iako elektrodinamika smatra da je brzina svjetlosti u vakuumu univerzalna konstanta (C), sličan indikator s kojim se sjaj širi u mediju može biti znatno manji nego sa. Brzina se može povećati tokom nuklearnih reakcija i u akceleratorima čestica. Sada naučnici već shvataju da Čerenkovljevo zračenje nastaje kada nabijeni elektron prođe kroz optički providan medij.

Uobičajena analogija je zvučni udar ultrabrzog aviona. Ovi talasi generisani uz pomoć reaktivnih tela šire se brzinom samog signala. Čestice se razilaze sporije od objekta u pokretu i ne mogu napredovati ispred njega. Umjesto toga, oni čine udarni front. Slično tome nabijena čestica može stvoriti svjetlosni udarni talas kada prođe kroz neki medij.

Pored toga, brzina koju treba prekoračiti je faza, a ne grupna. Prvi se može drastično promijeniti pomoću periodičnog medija, a u ovom slučaju je čak moguće dobiti Čerenkovljevo zračenje bez minimalne brzine čestica. Ovaj fenomen je poznat kao Smith-Purcell efekat. U složenijem periodičnom mediju, poput fotonskog kristala, također se mogu dobiti mnoge druge anomalne reakcije, poput zračenja u suprotnom smjeru.

Šta se dešava u reaktoru

U svojim originalnim radovima o teorijskim osnovama , Tamm i Frank su pisali: "Čerenkovljevo zračenje je neobična reakcija, očigledno se ne može objasniti nikakvim opštim mehanizmom, kao što je interakcija brzog elektrona sa jednim atomom ili zračenje koje se raspršuje u jezgra. S druge strane, ovaj fenomen se može objasniti i kvalitativno i kvantitativno, ako uzmemo u obzir činjenicu da elektron koji se kreće u mediju emituje svjetlost, čak i ako se kreće ravnomjerno, pod uslovom da je njegova brzina veća od brzine svjetlosti."

Međutim, postoje neke zablude o čerenkovljevom zračenju. Na primjer, Vjeruje se da medij postaje polariziran električnim poljem čestice. Ako se ovaj drugi kreće sporo, tada pokret teži nazad u mehaničku ravnotežu. Međutim, kada se molekul kreće dovoljno brzo, ograničena brzina odgovora medija znači da ravnoteža ostaje na svom tragu, a energija sadržana u njemu zrači u obliku koherentnog udarnog talasa.

Takvi koncepti nemaju analitičko opravdanje, jer se elektromagnetno zračenje emituje kada se nabijene čestice kreću u homogenom mediju sa podsvjetlosnim brzinama koje se ne smatraju čerenkovljevim zračenjem.

Obrnuti fenomen

Čerenkovljev efekat se može postići upotrebom supstanci zvanih metamaterijali sa negativnim indeksom. Odnosno, sa podzemnom mikrostrukturom, što im daje efektivno "prosječno" svojstvo koje se jako razlikuje od ostalih, u ovom slučaju ima negativnu permitivnost. To znači da kada naelektrisana čestica prođe kroz medij brzinom većom od one faze, ona će emitovati zračenje iz svog prolaska kroz nju sa prednje strane.

Takođe je moguće dobiti Čerenkovljevo zračenje sa inverznim konusom u ne-metamaterijalnim periodičnim medijima. Ovdje struktura ima istu skalu kao talasna dužina, tako da se ne može smatrati efektivno homogenim metamaterijalom.

Uslovi korišćenja

Za razliku od fluorescentnih ili emisionih spektra, koji imaju karakteristične vrhove, Čerenkovljevo zračenje je kontinuirano. Oko vidljivog sjaja, relativni intenzitet po jedinici frekvencije približno mu je proporcionalan. Odnosno, veće vrijednosti su intenzivnije.

Zato vidljivo Čerenkovljevo zračenje ima svijetloplavu boju. U stvari, većina procesa je u ultraljubičastom spektru — samo sa dovoljno ubrzanim nabojima postaje vidljiv. Osetljivost ljudskog oka dostiže vrhunac zelene boje i veoma je mala u ljubičastom delu spektra.

Nuklearni reaktori

Čerenkovljevo zračenje se koristi za otkrivanje visokoenergetskih naelektrisanih čestica. U jedinicama kao što su nuklearni reaktori, beta elektroni se oslobađaju kao produkti fisijskog raspada. Sjaj se nastavlja nakon što lančana reakcija prestane, zatamnjujući se kao supstance sa kraćim životnim vijekom. Takođe, Čerenkovljevo zračenje može okarakterisati preostalu radioaktivnost gorivnih elemenata koji su istekli. Ovaj fenomen koristi se za provjeru prisutnost istrošenog nuklearnog goriva u rezervoarima.