Tšerenkovi kiirgus on elektromagnetiline reaktsioon, mis tekib siis, kui laetud osakesed läbivad läbipaistvat keskkonda kiirusega, mis on suurem kui valguse sama faasiindeks samas keskkonnas. Veealuse tuumareaktori iseloomulik sinine kuma tuleneb sellest koostoimest.
Ajalugu
Kiirgus on nime saanud Nõukogude teadlase Pavel Tšerenkovi, 1958. aasta Nobeli preemia laureaadi järgi. Just tema avastas selle esimest korda eksperimentaalselt kolleegi juhendamisel 1934. aastal. Seetõttu tuntakse seda ka Vavilovi-Tšerenkovi efektina.
Teadlane nägi katsete ajal vees oleva radioaktiivse ravimi ümber nõrka sinakat valgust. Tema doktoritöö käsitles uraanisoolade lahuste luminestsentsi, mida ergastavad vähemenergilise nähtava valguse asemel gammakiired, nagu tavaliselt tehakse. Ta avastas anisotroopia ja jõudis järeldusele, et see efekt ei olnud fluorestseeruv nähtus.
Tšerenkovi teooriakiirgust arendasid hiljem Einsteini relatiivsusteooria raames teadlase kolleegid Igor Tamm ja Ilja Frank. Nad said ka 1958. aasta Nobeli preemia. Frank-Tammi valem kirjeldab kiirgusosakeste poolt kiiratud energiahulka läbitud pikkuseühiku kohta sagedusühiku kohta. See on materjali murdumisnäitaja, mida laeng läbib.
Tšerenkovi kiirgust kui koonusekujulist lainefrondit ennustasid teoreetiliselt inglise polümaat Oliver Heaviside aastatel 1888–1889 avaldatud artiklites ja Arnold Sommerfeld 1904. aastal. Kuid mõlemad unustati kiiresti pärast superosakeste relatiivsusteooria piiramist kuni 1970. aastateni. Marie Curie täheldas 1910. aastal kahvatusinist valgust väga kontsentreeritud raadiumilahuses, kuid ei laskunud detailidesse. 1926. aastal kirjeldasid Prantsuse kiiritusterapeudid eesotsas Lucieniga raadiumi valguskiirgust, millel on pidev spekter.
Füüsiline päritolu
Kuigi elektrodünaamika arvab, et valguse kiirus vaakumis on universaalne konstant (C), võib valguse levimiskiirus keskkonnas olla palju väiksem kui C. Kiirus võib suureneda tuumareaktsioonide käigus ja osakeste kiirendites. Teadlastele on nüüdseks selge, et Tšerenkovi kiirgus tekib siis, kui laetud elektron läbib optiliselt läbipaistvat keskkonda.
Tavaline analoogia on ülikiire lennuki helibuum. Need lained, mida tekitavad reaktiivsed kehad,levivad signaali enda kiirusel. Osakesed lahknevad aeglasem alt kui liikuv objekt ega saa sellest ette liikuda. Selle asemel moodustavad nad löögirinde. Samamoodi võib laetud osake tekitada kerge lööklaine, kui see läbib mõnda keskkonda.
Samuti on ületatav kiirus faasikiirus, mitte grupikiirus. Esimest saab perioodilise keskkonna abil drastiliselt muuta, sel juhul võib saada isegi Tšerenkovi kiirgust ilma osakeste minimaalse kiiruseta. Seda nähtust tuntakse Smithi-Purcelli efektina. Keerulisemas perioodilises keskkonnas, näiteks fotoonkristallides, võib saada ka palju muid anomaalseid reaktsioone, näiteks kiirgust vastupidises suunas.
Mis juhtub reaktoris
Oma esialgsetes teoreetiliste aluste dokumentides kirjutasid Tamm ja Frank: "Tšerenkovi kiirgus on omapärane reaktsioon, mida ilmselt ei saa seletada ühegi üldise mehhanismiga, nagu näiteks kiire elektroni interaktsioon ühe aatomi või kiirgusega. tuumadeks hajumine Teisest küljest on see nähtus seletatav nii kvalitatiivselt kui ka kvantitatiivselt, kui võtta arvesse asjaolu, et keskkonnas liikuv elektron kiirgab valgust, isegi kui see liigub ühtlaselt, eeldusel, et selle kiirus on suurem kui valgus."
Samas on Tšerenkovi kiirguse kohta mõned väärarusaamad. Näiteks arvatakse, et keskkond polariseerub osakese elektrivälja toimel. Kui viimane liigub aeglaselt, siis liigub liikumine tagasimehaaniline tasakaal. Kui aga molekul liigub piisav alt kiiresti, tähendab keskkonna piiratud reageerimiskiirus seda, et tasakaal püsib selle jälgedes ja selles sisalduv energia kiirgatakse koherentse lööklaine kujul.
Sellistel kontseptsioonidel pole analüütilist õigustust, kuna laetud osakeste liikumisel homogeenses keskkonnas subluminaalsel kiirusel eraldub elektromagnetkiirgus, mida ei peeta Tšerenkovi kiirguseks.
Tagurpidi nähtus
Tšerenkovi efekti saab saavutada, kasutades aineid, mida nimetatakse negatiivse indeksiga metamaterjalideks. See tähendab, et alamlainepikkuse mikrostruktuuriga, mis annab neile efektiivse "keskmise" omaduse, mis on teistest väga erinev, antud juhul negatiivse läbilaskvusega. See tähendab, et kui laetud osake läbib keskkonda kiiremini kui faasikiirus, siis kiirgab see eest läbimisel kiirgust.
Pöördkoonusega Tšerenkovi kiirgust on võimalik saada ka mittemetamaterjalis perioodilises keskkonnas. Siin on struktuur samal skaalal lainepikkusega, seega ei saa seda pidada tõhus alt homogeenseks metamaterjaliks.
Funktsioonid
Erinev alt fluorestsentsi või emissioonispektritest, millel on iseloomulikud tipud, on Tšerenkovi kiirgus pidev. Nähtava sära ümber on suhteline intensiivsus sagedusühiku kohta ligikauduproportsionaalne temaga. See tähendab, et kõrgemad väärtused on intensiivsemad.
Seetõttu on nähtav Tšerenkovi kiirgus helesinine. Tegelikult on enamik protsesse ultraviolettspektris – ainult piisav alt kiirendatud laengute korral muutub see nähtavaks. Inimsilma tundlikkuse tipp on roheline ja spektri violetses osas on see väga madal.
Tuumareaktorid
Tšerenkovi kiirgust kasutatakse suure energiaga laetud osakeste tuvastamiseks. Sellistes seadmetes nagu tuumareaktorid vabanevad beeta-elektronid lõhustumise lagunemissaadustena. Sära jätkub pärast ahelreaktsiooni peatumist, tuhmudes, kui lühema elueaga ained lagunevad. Samuti võib Tšerenkovi kiirgus iseloomustada kasutatud tuumkütuse elementide järelejäänud radioaktiivsust. Seda nähtust kasutatakse kasutatud tuumkütuse olemasolu kontrollimiseks paakides.
