Čerenkovo spinduliuotė yra elektromagnetinė reakcija, atsirandanti, kai įkrautos dalelės prasiskverbia per skaidrią terpę greičiu, didesniu už tą patį šviesos fazės indeksą toje pačioje terpėje. Povandeniniam branduoliniam reaktoriui būdingas mėlynas švytėjimas atsiranda dėl šios sąveikos.
Istorija
Radiacija pavadinta sovietų mokslininko Pavelo Čerenkovo, 1958 m. Nobelio premijos laureato, vardu. Būtent jis pirmą kartą eksperimentiškai jį atrado, prižiūrimas kolegos 1934 m. Todėl jis taip pat žinomas kaip Vavilovo-Čerenkovo efektas.
Eksperimentų metu mokslininkas pamatė silpną melsvą šviesą aplink radioaktyvų vaistą vandenyje. Jo daktaro disertacija buvo susijusi su urano druskų tirpalų liuminescencija, kurios buvo sužadintos gama spinduliais, o ne mažiau energinga matoma šviesa, kaip paprastai daroma. Jis atrado anizotropiją ir padarė išvadą, kad šis poveikis nėra fluorescencinis reiškinys.
Čerenkovo teorijaspinduliuotę Einšteino reliatyvumo teorijos rėmuose vėliau sukūrė mokslininko kolegos Igoris Tammas ir Ilja Frankas. Jie taip pat gavo 1958 m. Nobelio premiją. Frank-Tamm formulė apibūdina spinduliuojamų dalelių išspinduliuojamą energijos kiekį, tenkantį vienam ilgio vienetui, nukeliautam dažnio vienetu. Tai medžiagos, per kurią praeina krūvis, lūžio rodiklis.
Čerenkovo spinduliuotę kaip kūginį bangos frontą teoriškai numatė anglų polimatas Oliveris Heaviside'as 1888–1889 m. publikuotuose straipsniuose ir Arnoldas Sommerfeldas 1904 m. Tačiau abu buvo greitai pamiršti, kai superdalelių reliatyvumas buvo apribotas iki aštuntojo dešimtmečio. Marie Curie 1910 m. pastebėjo blyškiai mėlyną šviesą labai koncentruotame radžio tirpale, tačiau nesileido į detales. 1926 m. prancūzų radioterapeutai, vadovaujami Lucieno, aprašė radžio šviesos spinduliuotę, kuri turi nenutrūkstamą spektrą.
Fizinė kilmė
Nors elektrodinamika mano, kad šviesos greitis vakuume yra universali konstanta (C), šviesos sklidimo terpėje greitis gali būti daug mažesnis nei C. Greitis gali padidėti vykstant branduolinėms reakcijoms ir dalelių greitintuvuose.. Dabar mokslininkams aišku, kad Čerenkovo spinduliuotė atsiranda, kai įkrautas elektronas praeina per optiškai skaidrią terpę.
Įprasta analogija yra itin greito orlaivio garsinis bumas. Šios bangos, kurias sukuria reaktyvūs kūnai,sklinda paties signalo greičiu. Dalelės skiriasi lėčiau nei judantis objektas ir negali judėti pirmyn. Vietoj to, jie sudaro smūgio frontą. Panašiai įkrauta dalelė gali sukelti šviesos smūgio bangą, kai ji praeina per tam tikrą terpę.
Be to, greitis, kurį reikia viršyti, yra fazės, o ne grupės greitis. Pirmąjį galima drastiškai pakeisti naudojant periodinę terpę, tokiu atveju netgi galima gauti Čerenkovo spinduliuotę be minimalaus dalelių greičio. Šis reiškinys žinomas kaip Smith-Purcell efektas. Sudėtingesnėje periodinėje terpėje, pavyzdžiui, fotoniniame kristale, taip pat galima gauti daug kitų nenormalių reakcijų, pvz., spinduliavimą priešinga kryptimi.
Kas vyksta reaktoriuje
Savo pradiniuose dokumentuose apie teorinius pagrindus Tammas ir Frankas rašė: „Čerenkovo spinduliuotė yra savotiška reakcija, kurios, matyt, negalima paaiškinti jokiu bendru mechanizmu, pavyzdžiui, greito elektrono sąveika su vienu atomu arba spinduliuote. Išsklaidymas į branduolius Kita vertus, šį reiškinį galima paaiškinti tiek kokybiškai, tiek kiekybiškai, jei atsižvelgsime į tai, kad terpėje judantis elektronas skleidžia šviesą, net ir judėdamas tolygiai, jei jo greitis yra didesnis nei šviesa."
Tačiau yra keletas klaidingų nuomonių apie Čerenkovo spinduliuotę. Pavyzdžiui, laikoma, kad terpė poliarizuojasi dėl dalelės elektrinio lauko. Jei pastarasis juda lėtai, judesys grįžta atgalmechaninis balansas. Tačiau kai molekulė juda pakankamai greitai, ribotas terpės reakcijos greitis reiškia, kad pusiausvyra išlieka, o joje esanti energija išspinduliuojama koherentinės smūginės bangos pavidalu.
Tokios sąvokos neturi analitinio pagrindimo, nes elektromagnetinė spinduliuotė išspinduliuojama, kai įkrautos dalelės homogeninėje terpėje juda subluminaliniu greičiu, kuris nelaikomas Čerenkovo spinduliuote.
Atvirkštinis reiškinys
Čerenkovo efektą galima gauti naudojant medžiagas, vadinamas metamedžiagomis su neigiamu indeksu. Tai yra, su subbangos ilgio mikrostruktūra, kuri suteikia jiems efektyvią „vidutinę“savybę, kuri labai skiriasi nuo kitų, šiuo atveju turinčių neigiamą laidumą. Tai reiškia, kad kai įkrauta dalelė praeina per terpę greičiau nei fazės greitis, ji skleis spinduliuotę iš priekio.
Taip pat galima gauti Čerenkovo spinduliuotę su atvirkštiniu kūgiu nemetamedžiaginėse periodinėse terpėse. Čia struktūra yra tokio paties masto kaip ir bangos ilgis, todėl ji negali būti laikoma veiksmingai vienalyte metamedžiaga.
Funkcijos
Skirtingai nuo fluorescencijos ar emisijos spektrų, kuriems būdingos smailės, Čerenkovo spinduliuotė yra nuolatinė. Aplink matomą švytėjimą santykinis dažnio vieneto intensyvumas yra apytikslisproporcingas jai. Tai reiškia, kad didesnės reikšmės yra intensyvesnės.
Štai kodėl matoma Čerenkovo spinduliuotė yra ryškiai mėlyna. Tiesą sakant, dauguma procesų yra ultravioletiniame spektre – tik esant pakankamai pagreitintam krūviui, jis tampa matomas. Žmogaus akies jautrumo maksimumas yra žalias ir labai mažas violetinėje spektro dalyje.
Branduoliniai reaktoriai
Čerenkovo spinduliuotė naudojama didelės energijos įkrautoms dalelėms aptikti. Tokiuose blokuose kaip branduoliniai reaktoriai beta elektronai išsiskiria kaip dalijimosi skilimo produktai. Švytėjimas tęsiasi po to, kai grandininė reakcija sustoja, blanksta, nes trumpalaikės medžiagos irsta. Be to, Čerenkovo spinduliuotė gali apibūdinti likusį panaudoto kuro elementų radioaktyvumą. Šis reiškinys naudojamas norint patikrinti, ar rezervuaruose nėra panaudoto branduolinio kuro.
