Черенковское випромінювання: опис, основні поняття

Черенковское випромінювання являє собою електромагнітну реакцію, яка трапляється, коли заряджені частинки проходять через прозоре середовище при швидкості більшій, ніж аналогічний фазовий показник світла в цьому ж середовищі. Характерне синє світіння підводного ядерного реактора обумовлено даними взаємодією.

Історія

Випромінювання названо на честь радянського вченого Павла Черенкова, лауреата Нобелівської премії 1958 року. Саме він першим виявив його експериментально під наглядом колеги в 1934 році. Тому воно також відоме як ефект Вавилова-Черенкова.

Вчений побачив слабке синювате світло навколо радіоактивного препарату у воді під час експериментів. Його докторська дисертація була присвячена люмінесценції розчинів солей урану, які збуджувалися гамма-променями замість менш енергійного видимого світла, як це зазвичай робиться. Він виявив анізотропію і дійшов висновку, що цей ефект не є флуоресцентним явищем.

Теорія черенковського випромінювання пізніше була розроблена в рамках теорії відносності Ейнштейна колегами вченого Ігорем Таммом та Іллею Франком. Вони також отримали Нобелівську премію 1958 року. Формула Франка-Тамма описує кількість енергії, що випромінюється випромінюваними частинками на одиницю довжини пройденого шляху за одиницю частоти. Вона є показником заломлення матеріалу, через який проходить заряд.

Черенковське випромінювання як конічний хвильовий фронт було теоретично передбачено англійським багатозначником Олівером Хевісайдом у працях, опублікованих між 1888 і 1889 роками, та Арнольдом Зоммерфельдом у 1904. Але обидва вони були швидко забуті після обмеження теорії відносності суперчастинок до 1970-х. Марі Кюрі спостерігала блідо-синє світло у висококонцентрованому розчині радію в 1910 році, але не стала розбиратися в деталях. У 1926 Французькі радіотерапевти під керівництвом Люціена описали світиться випромінювання радію, що має безперервний спектр.

Фізичне Походження

Хоча електродинаміка вважає, що швидкість світла у вакуумі є універсальною постійною( C), аналогічний показник, з яким світіння поширюється в середовищі, може бути значно меншим, ніж C. Швидкість може збільшуватися під час ядерних реакцій і в прискорювачах частинок. Зараз вченим вже зрозуміло, що черенковское випромінювання виникає, коли заряджений електрон проходить через оптично прозоре середовище.

Звичайна аналогія-звуковий удар надшвидкого літака. Ці хвилі, що генеруються за допомогою реактивних тіл, поширюються зі швидкістю самого сигналу. Частинки розходяться повільніше, ніж рухомий об`єкт, і не можуть висунутися, випереджаючи його. Замість цього утворюють фронт удару. Так само заряджена частинка може генерувати легку ударну хвилю, коли вона проходить через деяке середовище.

Крім того, швидкість, яка повинна бути перевищена, є фазовою, а не груповою. Перше можна різко змінити, використовуючи Періодичне середовище, і в цьому випадку можна навіть отримати випромінювання Черенкова без мінімальної швидкості частинок. Це явище відоме як ефект Сміта-Перселла. У більш складних періодичних середовищах, таких як фотонний кристал, можна також отримати багато інших аномальних реакцій, таких як випромінювання назад.

Що відбувається в реакторі

У своїх оригінальних роботах з теоретичних основ Тамм і Френк писали: "Черенковське випромінювання-це своєрідна реакція, мабуть, не можна пояснити будь-яким загальним механізмом, таким як взаємодія швидкого електрона з окремим атомом або радіаційне розсіювання на ядра. З іншого боку, це явище можна пояснити як якісно, так і кількісно, якщо взяти до уваги той факт, що електрон, що рухається в середовищі, випромінює світло, навіть якщо він рухається рівномірно, за умови, що його швидкість більше ніж у світла."

Однак існують деякі помилки щодо черенковського випромінювання. Наприклад, вважається, що середовище стає поляризованим електричним полем частинки. Якщо остання переміщається повільно, то рух прагне назад до механічної рівноваги. Однак, коли молекула рухається досить швидко, обмежена швидкість відгуку середовища означає, що в її сліді залишається рівновага, і енергія, що міститься в ньому, випромінюється у вигляді когерентної ударної хвилі.

Такі поняття не мають аналітичного обґрунтування, оскільки електромагнітне випромінювання випромінюється, коли заряджені частинки рухаються в однорідному середовищі з підсвітковими швидкостями, які не розглядаються як черенковське випромінювання.

Зворотне явище

Ефект Черенкова можна отримати, використовуючи речовини, які називаються метаматеріалами з негативним індексом. Тобто, з субволновой мікроструктурою, яка дає їм ефективне» середнє " властивість, сильно відрізняється від інших, в даному випадку має негативну діелектричну проникність. Це означає, що коли заряджена частинка проходить через середовище зі швидкістю, більшою за фазову, вона буде випромінювати випромінювання від проходження через неї спереду.

Можна також отримати черенковское випромінювання зі зворотним конусом в неметаматеріальних періодичних середовищах. Тут структура має той самий масштаб, що і довжина хвилі, тому її не можна розглядати як ефективно однорідний метаматеріал.

Характеристика

На відміну від флуоресцентних або емісійних спектрів, що мають характерні піки, черенковське випромінювання є безперервним. Навколо видимого світіння відносна інтенсивність на одиницю частоти приблизно пропорційна їй. Тобто більш високі значення інтенсивніше.

Ось чому видиме черенковское випромінювання має яскраво-синій колір. Насправді, більшість процесів знаходиться в ультрафіолетовому спектрі - тільки з досить прискореними зарядами воно стає видимим. Чутливість людського ока досягає піку зеленого кольору і дуже мала в фіолетовій частині спектра.

Ядерний реактор

Черенковське випромінювання використовується для виявлення заряджених частинок високої енергії. В агрегатах типу ядерних реакторів бета-електрони випускаються в якості продуктів поділу розпаду. Світіння триває після того, як ланцюгова реакція припиняється, затемняясь, оскільки речовини з більш коротким терміном існування розпадаються. Також черенковское випромінювання може характеризувати залишилася радіоактивність відслужили термін тепловиділяючих елементів. Це явище використовується для перевірки наявності відпрацьованого ядерного палива в резервуарах.