Čerenkovljevo zračenje je elektromagnetna reakcija koja se javlja kada nabijene čestice prolaze kroz prozirni medij brzinom većom od istog indeksa faze svjetlosti u istom mediju. Karakterističan plavi sjaj podvodnog nuklearnog reaktora je rezultat ove interakcije.
Historija
Zračenje je nazvano 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 efekat Vavilov-Čerenkov.
Naucnik je tokom eksperimenata vidio slabu plavkastu svjetlost oko radioaktivnog lijeka u vodi. Njegova doktorska disertacija bila je o luminiscenciji rastvora soli uranijuma, koje su pobuđivale gama zraci umjesto manje energetske vidljive svjetlosti, kako se to obično radi. Otkrio je anizotropiju i zaključio da ovaj efekat nije fluorescentni fenomen.
Čerenkovljeva teorijazračenje su kasnije u okviru Ajnštajnove teorije relativnosti razvili naučnikovi kolege Igor Tamm i Ilja Frank. Dobili su i Nobelovu nagradu 1958. Frank-Tamm formula opisuje količinu energije koju emituju čestice zračenja po jedinici prijeđene dužine po jedinici frekvencije. To je indeks loma materijala kroz koji naelektrisanje prolazi.
Čerenkovljevo zračenje kao konusni talasni front je teoretski predvidio engleski polimatičar Oliver Hevisajd u radovima objavljenim između 1888. i 1889. i Arnold Somerfeld 1904. Ali oba su brzo zaboravljena nakon ograničenja relativnosti superčestica do 1970. godine. Marie Curie je 1910. godine uočila blijedoplavu svjetlost u visoko koncentriranoj otopini radijuma, ali nije ulazila u detalje. Godine 1926. francuski radioterapeuti predvođeni Lucienom opisali su svjetlosno zračenje radijuma, koje ima kontinuirani spektar.
Fizičko porijeklo
Iako elektrodinamika smatra da je brzina svjetlosti u vakuumu univerzalna konstanta (C), brzina kojom se svjetlost širi u mediju može biti mnogo manja od C. Brzina se može povećati tokom nuklearnih reakcija i u akceleratorima čestica. Naučnicima je sada jasno da se Čerenkovljevo zračenje javlja kada nabijeni elektron prođe kroz optički prozirni medij.
Uobičajena analogija je zvučni bum superbrze letjelice. Ovi talasi koje stvaraju reaktivna tela,širiti brzinom samog signala. Čestice se razilaze sporije od objekta koji se kreće i ne mogu napredovati ispred njega. Umjesto toga, oni formiraju front udarca. Slično, nabijena čestica može generirati lagani udarni val kada prođe kroz neki medij.
Također, brzina koju treba prekoračiti je fazna brzina, a ne grupna brzina. Prvo se može drastično promijeniti korištenjem periodične sredine, u kom slučaju se čak može dobiti Čerenkovljevo zračenje bez minimalne brzine čestica. Ovaj fenomen je poznat kao Smith-Purcell efekt. U složenijem periodičnom mediju, kao što je fotonski kristal, mogu se dobiti i mnoge druge anomalne reakcije, kao što je zračenje u suprotnom smjeru.
Šta se dešava u reaktoru
U svojim originalnim radovima o teorijskim osnovama, Tamm i Frank su napisali: "Zračenje Čerenkova je neobična reakcija koja se očigledno ne može objasniti nikakvim opštim mehanizmom, kao što je interakcija brzog elektrona sa jednim atomom ili radijacijom raspršivanje 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 jednoliko, pod uslovom da je njegova brzina veća od brzine svjetlo."
Međutim, postoje neke zablude o Čerenkovljevom zračenju. Na primjer, smatra se da medij postaje polariziran električnim poljem čestice. Ako se potonji kreće polako, onda se pokret teži natragmehanička ravnoteža. Međutim, kada se molekul kreće dovoljno brzo, ograničena brzina odgovora medija znači da ravnoteža ostaje iza njega, a energija sadržana u njemu se zrači u obliku koherentnog udarnog vala.
Takvi koncepti nemaju analitičko opravdanje, pošto se elektromagnetno zračenje emituje kada se naelektrisane čestice kreću u homogenom mediju subluminalnim brzinama, koje se ne smatraju Čerenkovljevim zračenjem.
Obrnuti fenomen
Efekat Čerenkova se može dobiti upotrebom supstanci koje se nazivaju metamaterijali sa negativnim indeksom. Odnosno, sa mikrostrukturom podtalasne dužine, koja im daje efektivno "prosječno" svojstvo koje se veoma razlikuje od ostalih, u ovom slučaju ima negativnu permitivnost. To znači da kada naelektrisana čestica prođe kroz medij brže od fazne brzine, ona će emitovati zračenje iz svog prolaska kroz njega s prednje strane.
Takođe je moguće dobiti Čerenkovljevo zračenje sa inverznim konusom u periodičnim medijima bez metamaterijala. Ovdje je struktura na istoj skali kao i talasna dužina, tako da se ne može smatrati efektivno homogenim metamaterijalom.
Karakteristike
Za razliku od spektra fluorescencije ili emisije, koji imaju karakteristične pikove, Čerenkovljevo zračenje je kontinuirano. Oko vidljivog sjaja, relativni intenzitet po jedinici frekvencije je približnoproporcionalno njoj. Odnosno, veće vrijednosti su intenzivnije.
Zato je vidljivo Čerenkovljevo zračenje jarko plavo. Zapravo, većina procesa je u ultraljubičastom spektru - samo s dovoljno ubrzanim nabojima postaje vidljiv. Osetljivost ljudskog oka dostiže vrhunac u zelenoj boji i veoma je niska u ljubičastom delu spektra.
Nuklearni reaktori
Cherenkov zračenje se koristi za detekciju visokoenergetskih nabijenih čestica. U jedinicama kao što su nuklearni reaktori, beta elektroni se oslobađaju kao produkti raspadanja fisije. Sjaj se nastavlja nakon što lančana reakcija prestane, zatamnjujući se kako se kratkotrajnije supstance raspadaju. Također, Čerenkovsko zračenje može karakterizirati preostalu radioaktivnost istrošenih gorivnih elemenata. Ovaj fenomen se koristi za provjeru prisustva istrošenog nuklearnog goriva u rezervoarima.
