Pancaran Cherenkov ialah tindak balas elektromagnet yang berlaku apabila zarah bercas melalui medium lutsinar pada kelajuan lebih besar daripada indeks fasa cahaya yang sama dalam medium yang sama. Ciri cahaya biru reaktor nuklear bawah air adalah disebabkan oleh interaksi ini.
Sejarah
Radiasi itu dinamakan sempena nama saintis Soviet Pavel Cherenkov, pemenang Hadiah Nobel 1958. Dialah yang pertama kali menemuinya secara eksperimen di bawah pengawasan rakan sekerja pada tahun 1934. Oleh itu, ia juga dikenali sebagai kesan Vavilov-Cherenkov.
Seorang saintis melihat cahaya kebiruan samar di sekeliling ubat radioaktif di dalam air semasa eksperimen. Disertasi kedoktorannya adalah mengenai kecerahan larutan garam uranium, yang diuja oleh sinar gamma dan bukannya cahaya kelihatan yang kurang bertenaga, seperti yang biasa dilakukan. Dia menemui anisotropi dan membuat kesimpulan bahawa kesan ini bukan fenomena pendarfluor.
teori Cherenkovsinaran kemudiannya dibangunkan dalam kerangka teori relativiti Einstein oleh rakan saintis Igor Tamm dan Ilya Frank. Mereka juga menerima Hadiah Nobel 1958. Formula Frank-Tamm menerangkan jumlah tenaga yang dipancarkan oleh zarah terpancar per unit panjang yang dilalui per unit frekuensi. Ia ialah indeks biasan bahan yang melaluinya cas.
Sinaran Cherenkov sebagai muka gelombang kon secara teorinya diramalkan oleh polimat Inggeris Oliver Heaviside dalam makalah yang diterbitkan antara 1888 dan 1889, dan oleh Arnold Sommerfeld pada tahun 1904. Tetapi kedua-duanya telah dilupakan dengan cepat selepas pengehadan relativiti superzarah sehingga tahun 1970-an. Marie Curie memerhati cahaya biru pucat dalam larutan radium yang sangat pekat pada tahun 1910, tetapi tidak menjelaskan secara terperinci. Pada tahun 1926, ahli radioterapi Perancis yang diketuai oleh Lucien menerangkan sinaran bercahaya radium, yang mempunyai spektrum berterusan.
Asal Fizikal
Walaupun elektrodinamik menganggap bahawa kelajuan cahaya dalam vakum adalah pemalar universal (C), kadar di mana cahaya merambat dalam medium boleh menjadi lebih kurang daripada C. Kelajuan boleh meningkat semasa tindak balas nuklear dan dalam pemecut zarah. Kini jelas kepada saintis bahawa sinaran Cherenkov berlaku apabila elektron bercas melalui medium telus optik.
Analogi biasa ialah ledakan sonik pesawat yang sangat laju. Gelombang ini, yang dihasilkan oleh badan reaktif,merambat pada kelajuan isyarat itu sendiri. Zarah menyimpang lebih perlahan daripada objek yang bergerak, dan tidak boleh mendahuluinya. Sebaliknya, mereka membentuk bahagian hadapan impak. Begitu juga, zarah bercas boleh menghasilkan gelombang kejutan ringan apabila ia melalui beberapa medium.
Selain itu, kelajuan yang perlu dilampaui ialah kelajuan fasa, bukan kelajuan kumpulan. Yang pertama boleh diubah secara drastik dengan menggunakan medium berkala, di mana seseorang boleh mendapatkan sinaran Cherenkov tanpa halaju zarah minimum. Fenomena ini dikenali sebagai kesan Smith-Purcell. Dalam medium berkala yang lebih kompleks, seperti kristal fotonik, banyak tindak balas anomali lain juga boleh diperoleh, seperti sinaran dalam arah yang bertentangan.
Apa yang berlaku dalam reaktor
Dalam makalah asal mereka tentang asas teori, Tamm dan Frank menulis: "Radiasi Cherenkov ialah tindak balas pelik yang nampaknya tidak dapat dijelaskan oleh mana-mana mekanisme umum, seperti interaksi elektron pantas dengan atom tunggal atau radiasi penyebaran ke dalam nukleus Sebaliknya, fenomena ini boleh dijelaskan secara kualitatif dan kuantitatif, jika kita mengambil kira hakikat bahawa elektron yang bergerak dalam medium memancarkan cahaya, walaupun ia bergerak secara seragam, dengan syarat kelajuannya lebih besar daripada kelajuannya. cahaya."
Walau bagaimanapun, terdapat beberapa salah tanggapan tentang sinaran Cherenkov. Sebagai contoh, ia dianggap bahawa medium menjadi terpolarisasi oleh medan elektrik zarah. Jika yang terakhir bergerak perlahan, maka pergerakan itu cenderung kembali kekeseimbangan mekanikal. Walau bagaimanapun, apabila molekul bergerak cukup pantas, kelajuan tindak balas terhad medium bermakna keseimbangan kekal di belakangnya, dan tenaga yang terkandung di dalamnya dipancarkan dalam bentuk gelombang kejutan yang koheren.
Konsep sedemikian tidak mempunyai justifikasi analisis, kerana sinaran elektromagnet dipancarkan apabila zarah bercas bergerak dalam medium homogen pada kelajuan subluminal, yang tidak dianggap sebagai sinaran Cherenkov.
Fenomena terbalik
Kesan Cherenkov boleh diperoleh menggunakan bahan yang dipanggil bahan metamaterial dengan indeks negatif. Iaitu, dengan struktur mikro subwavelength, yang memberikan mereka sifat "purata" yang berkesan yang sangat berbeza daripada yang lain, dalam kes ini mempunyai kebolehperolehan negatif. Ini bermakna apabila zarah bercas melalui medium lebih cepat daripada halaju fasa, ia akan memancarkan sinaran daripada laluan melaluinya dari hadapan.
Ia juga mungkin untuk mendapatkan sinaran Cherenkov dengan kon songsang dalam media berkala bukan metamaterial. Di sini, struktur adalah pada skala yang sama dengan panjang gelombang, jadi ia tidak boleh dianggap sebagai metamaterial homogen yang berkesan.
Ciri
Tidak seperti pendarfluor atau spektrum pelepasan, yang mempunyai puncak ciri, sinaran Cherenkov adalah berterusan. Di sekeliling cahaya yang boleh dilihat, keamatan relatif per unit frekuensi adalah lebih kurangberkadar dengannya. Iaitu, nilai yang lebih tinggi adalah lebih sengit.
Inilah sebabnya sinaran Cherenkov yang kelihatan berwarna biru terang. Malah, kebanyakan proses adalah dalam spektrum ultraungu - hanya dengan cas dipercepatkan yang mencukupi, ia boleh dilihat. Kepekaan mata manusia memuncak dalam warna hijau dan sangat rendah pada bahagian spektrum ungu.
Reaktor nuklear
Pancaran Cherenkov digunakan untuk mengesan zarah bercas bertenaga tinggi. Dalam unit seperti reaktor nuklear, elektron beta dibebaskan sebagai produk pereputan pembelahan. Cahaya berterusan selepas tindak balas berantai berhenti, menjadi malap apabila bahan yang berumur lebih pendek mereput. Juga, sinaran Cherenkov boleh mencirikan baki radioaktiviti unsur bahan api terpakai. Fenomena ini digunakan untuk memeriksa kehadiran bahan api nuklear terpakai dalam tangki.
