Radiația Cherenkov este o reacție electromagnetică care are loc atunci când particulele încărcate trec printr-un mediu transparent cu o viteză mai mare decât același indice de fază al luminii în același mediu. Strălucirea albastră caracteristică a unui reactor nuclear subacvatic se datorează acestei interacțiuni.
Istorie
Radiația poartă numele omului de știință sovietic Pavel Cherenkov, laureat al Premiului Nobel în 1958. El a fost primul care l-a descoperit experimental sub supravegherea unui coleg în 1934. Prin urmare, este cunoscut și ca efectul Vavilov-Cherenkov.
Un om de știință a văzut o lumină slabă albăstruie în jurul unui medicament radioactiv în apă în timpul experimentelor. Teza sa de doctorat se referă la luminescența soluțiilor de săruri de uraniu, care erau excitate de raze gamma în loc de lumina vizibilă mai puțin energetică, așa cum se face de obicei. El a descoperit anizotropia și a concluzionat că acest efect nu a fost un fenomen fluorescent.
Teoria lui Cherenkovradiația a fost dezvoltată ulterior în cadrul teoriei relativității a lui Einstein de către colegii savantului Igor Tamm și Ilya Frank. Au primit și Premiul Nobel în 1958. Formula Frank-Tamm descrie cantitatea de energie emisă de particulele radiate pe unitatea de lungime parcursă pe unitatea de frecvență. Este indicele de refracție al materialului prin care trece sarcina.
Radiația Cherenkov ca front de undă conic a fost prezisă teoretic de polimatul englez Oliver Heaviside în lucrări publicate între 1888 și 1889 și de Arnold Sommerfeld în 1904. Dar ambele au fost uitate rapid după limitarea relativității superparticulelor până în anii 1970. Marie Curie a observat lumina albastru pal într-o soluție foarte concentrată de radiu în 1910, dar nu a intrat în detalii. În 1926, radioterapeuții francezi conduși de Lucien au descris radiația luminoasă a radiului, care are un spectru continuu.
Origine fizică
Deși electrodinamica consideră că viteza luminii în vid este o constantă universală (C), viteza cu care lumina se propagă într-un mediu poate fi mult mai mică decât C. Viteza poate crește în timpul reacțiilor nucleare și în acceleratoarele de particule. Acum este clar pentru oamenii de știință că radiația Cherenkov apare atunci când un electron încărcat trece printr-un mediu transparent optic.
Analogia obișnuită este boom-ul sonic al unui avion super-rapid. Aceste unde, generate de corpuri reactive,se propagă cu viteza semnalului însuși. Particulele diverg mai lent decât un obiect în mișcare și nu pot avansa înaintea acestuia. În schimb, ele formează un front de impact. În mod similar, o particulă încărcată poate genera o undă de șoc luminoasă atunci când trece printr-un mediu.
De asemenea, viteza care trebuie depășită este o viteză de fază, nu o viteză de grup. Primul poate fi modificat drastic prin utilizarea unui mediu periodic, caz în care se poate obține chiar radiația Cherenkov fără o viteză minimă a particulelor. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efectul Smith-Purcell. Într-un mediu periodic mai complex, cum ar fi un cristal fotonic, se pot obține și multe alte reacții anormale, cum ar fi radiația în direcția opusă.
Ce se întâmplă în reactor
În lucrările lor originale despre fundamentele teoretice, Tamm și Frank au scris: „Radiația Cherenkov este o reacție particulară care aparent nu poate fi explicată prin niciun mecanism general, cum ar fi interacțiunea unui electron rapid cu un singur atom sau radiativ. împrăștierea în nuclee Pe de altă parte, acest fenomen poate fi explicat atât calitativ, cât și cantitativ, dacă ținem cont de faptul că un electron care se mișcă într-un mediu emite lumină, chiar dacă se mișcă uniform, cu condiția ca viteza acestuia să fie mai mare decât cea a lumină. „
Cu toate acestea, există unele concepții greșite despre radiația Cherenkov. De exemplu, se consideră că mediul devine polarizat de câmpul electric al particulei. Dacă acesta din urmă se mișcă încet, atunci mișcarea tinde înapoi laechilibru mecanic. Cu toate acestea, atunci când molecula se mișcă suficient de rapid, viteza de răspuns limitată a mediului înseamnă că echilibrul rămâne în urma sa, iar energia conținută în ea este radiată sub forma unei unde de șoc coerente.
Astfel de concepte nu au o justificare analitică, deoarece radiația electromagnetică este emisă atunci când particulele încărcate se mișcă într-un mediu omogen la viteze subluminale, care nu sunt considerate radiații Cherenkov.
fenomen invers
Efectul Cherenkov poate fi obținut folosind substanțe numite metamateriale cu indice negativ. Adică cu o microstructură sublungimi de undă, care le conferă o proprietate „medie” efectivă foarte diferită de celel alte, având în acest caz o permitivitate negativă. Aceasta înseamnă că, atunci când o particulă încărcată trece printr-un mediu mai rapid decât viteza de fază, ea va emite radiații din trecerea ei prin acesta din față.
De asemenea, este posibil să se obțină radiația Cherenkov cu un con invers în medii periodice nemetamateriale. Aici, structura este la aceeași scară cu lungimea de undă, așa că nu poate fi considerată un metamaterial efectiv omogen.
Funcții
Spre deosebire de spectrele de fluorescență sau de emisie, care au vârfuri caracteristice, radiația Cherenkov este continuă. În jurul strălucirii vizibile, intensitatea relativă pe unitatea de frecvență este de aproximativproporțional cu ea. Adică, valorile mai mari sunt mai intense.
De aceea radiația vizibilă Cherenkov este albastră strălucitoare. De fapt, majoritatea proceselor sunt în spectrul ultraviolet - doar cu încărcături suficient de accelerate devine vizibil. Sensibilitatea ochiului uman atinge vârfurile în verde și este foarte scăzută în partea violetă a spectrului.
Reactoare nucleare
Radiția Cherenkov este folosită pentru a detecta particulele încărcate cu energie în altă. În unități precum reactoarele nucleare, electronii beta sunt eliberați ca produse de descompunere a fisiunii. Strălucirea continuă după ce reacția în lanț se oprește, diminuându-se pe măsură ce substanțele cu viață mai scurtă se descompun. De asemenea, radiația Cherenkov poate caracteriza radioactivitatea rămasă a elementelor de combustibil uzat. Acest fenomen este folosit pentru a verifica prezența combustibilului nuclear uzat în rezervoare.
