Cherenkov-straling is 'n elektromagnetiese reaksie wat plaasvind wanneer gelaaide deeltjies deur 'n deursigtige medium beweeg teen 'n spoed groter as dieselfde fase-indeks van lig in dieselfde medium. Die kenmerkende blou gloed van 'n onderwaterkernreaktor is te danke aan hierdie interaksie.
Geskiedenis
Die bestraling is vernoem na die Sowjet-wetenskaplike Pavel Cherenkov, 1958 Nobelpryswenner. Dit was hy wat dit die eerste keer eksperimenteel ontdek het onder toesig van 'n kollega in 1934. Daarom staan dit ook bekend as die Vavilov-Cherenkov-effek.
'n Wetenskaplike het tydens eksperimente 'n dowwe blouerige lig rondom 'n radioaktiewe middel in water gesien. Sy doktorale proefskrif was oor die luminescentie van oplossings van uraansoute, wat deur gammastrale opgewek is in plaas van die minder energieke sigbare lig, soos gewoonlik gedoen word. Hy het anisotropie ontdek en tot die gevolgtrekking gekom dat hierdie effek nie 'n fluoresserende verskynsel was nie.
Cherenkov se teoriebestraling is later ontwikkel binne die raamwerk van Einstein se relatiwiteitsteorie deur die wetenskaplike se kollegas Igor Tamm en Ilya Frank. Hulle het ook die 1958 Nobelprys ontvang. Die Frank-Tamm-formule beskryf die hoeveelheid energie wat deur uitgestraalde deeltjies vrygestel word per lengte-eenheid wat per eenheidfrekwensie gereis word. Dit is die brekingsindeks van die materiaal waardeur die lading gaan.
Cherenkov-straling as 'n koniese golffront is teoreties voorspel deur die Engelse polimaat Oliver Heaviside in artikels wat tussen 1888 en 1889 gepubliseer is, en deur Arnold Sommerfeld in 1904. Maar albei is vinnig vergeet na die beperking van superdeeltjie-relatiwiteit tot die 1970's. Marie Curie het ligblou lig in 'n hoogs gekonsentreerde oplossing van radium in 1910 waargeneem, maar het nie in besonderhede ingegaan nie. In 1926 het Franse radioterapeute onder leiding van Lucien die ligstraling van radium beskryf, wat 'n aaneenlopende spektrum het.
Fisiese oorsprong
Alhoewel elektrodinamika van mening is dat die spoed van lig in vakuum 'n universele konstante (C) is, kan die tempo waarteen lig in 'n medium voortplant baie minder as C wees. Die spoed kan toeneem tydens kernreaksies en in deeltjieversnellers. Dit is nou vir wetenskaplikes duidelik dat Cherenkov-bestraling plaasvind wanneer 'n gelaaide elektron deur 'n opties deursigtige medium gaan.
Die gewone analogie is die soniese oplewing van 'n supervinnige vliegtuig. Hierdie golwe, gegenereer deur reaktiewe liggame,teen die spoed van die sein self voortplant. Deeltjies divergeer stadiger as 'n bewegende voorwerp, en kan nie voor dit beweeg nie. In plaas daarvan vorm hulle 'n impakfront. Net so kan 'n gelaaide deeltjie 'n ligte skokgolf opwek wanneer dit deur een of ander medium gaan.
Die spoed wat oorskry moet word, is ook 'n fasespoed, nie 'n groepspoed nie. Eersgenoemde kan drasties verander word deur 'n periodieke medium te gebruik, in welke geval 'n mens selfs Cherenkov-straling sonder 'n minimum deeltjiesnelheid kan verkry. Hierdie verskynsel staan bekend as die Smith-Purcell-effek. In 'n meer komplekse periodieke medium, soos 'n fotoniese kristal, kan baie ander anomale reaksies ook verkry word, soos straling in die teenoorgestelde rigting.
Wat gebeur in die reaktor
In hul oorspronklike referate oor die teoretiese grondslae het Tamm en Frank geskryf: "Cherenkov-straling is 'n eienaardige reaksie wat blykbaar nie deur enige algemene meganisme verklaar kan word nie, soos die interaksie van 'n vinnige elektron met 'n enkele atoom of straling. verstrooiing in kerne Aan die ander kant kan hierdie verskynsel beide kwalitatief en kwantitatief verklaar word, as ons die feit in ag neem dat 'n elektron wat in 'n medium beweeg lig uitstraal, selfs al beweeg dit eenvormig, mits sy spoed groter is as dié van lig."
Daar is egter 'n paar wanopvattings oor Cherenkov-bestraling. Dit word byvoorbeeld beskou dat die medium gepolariseer word deur die elektriese veld van die deeltjie. As laasgenoemde stadig beweeg, dan neig die beweging terug nameganiese balans. Wanneer die molekule egter vinnig genoeg beweeg, beteken die beperkte reaksiespoed van die medium dat ewewig in sy nasleep bly, en die energie daarin vervat word uitgestraal in die vorm van 'n koherente skokgolf.
Sulke konsepte het geen analitiese regverdiging nie, aangesien elektromagnetiese straling uitgestraal word wanneer gelaaide deeltjies teen subluminale spoed in 'n homogene medium beweeg, wat nie as Cherenkov-straling beskou word nie.
Omgekeerde verskynsel
Die Cherenkov-effek kan verkry word deur middel van stowwe wat metamateriale genoem word met 'n negatiewe indeks. Dit wil sê, met 'n subgolflengte-mikrostruktuur, wat hulle 'n effektiewe "gemiddelde" eienskap gee wat baie verskil van die ander, in hierdie geval met 'n negatiewe permittiwiteit. Dit beteken dat wanneer 'n gelaaide deeltjie vinniger as die fasesnelheid deur 'n medium gaan, dit straling sal uitstraal vanaf sy deurgang daardeur van voor af.
Dit is ook moontlik om Cherenkov-straling met 'n omgekeerde keël in nie-metamateriaal periodieke media te verkry. Hier is die struktuur op dieselfde skaal as die golflengte, dus kan dit nie as 'n effektief homogene metamateriaal beskou word nie.
Kenmerke
Anders as fluoressensie- of emissiespektra, wat kenmerkende pieke het, is Cherenkov-bestraling kontinu. Rondom die sigbare gloed is die relatiewe intensiteit per eenheidfrekwensie ongeveereweredig aan haar. Dit wil sê, hoër waardes is meer intens.
Dit is hoekom sigbare Cherenkov-straling helderblou is. Trouens, die meeste van die prosesse is in die ultravioletspektrum – net met voldoende versnelde ladings word dit sigbaar. Die sensitiwiteit van die menslike oog bereik 'n hoogtepunt in groen en is baie laag in die violet deel van die spektrum.
Kernreaktors
Cherenkov-straling word gebruik om hoë-energie gelaaide deeltjies op te spoor. In eenhede soos kernreaktors word beta-elektrone vrygestel as splitsingsvervalprodukte. Die gloed gaan voort nadat die kettingreaksie gestop het, en verdof namate korterlewende stowwe verval. Ook kan Cherenkov-straling die oorblywende radioaktiwiteit van gebruikte brandstofelemente kenmerk. Hierdie verskynsel word gebruik om te kyk vir die teenwoordigheid van gebruikte kernbrandstof in tenks.
