Čerenkovovo záření je elektromagnetická reakce, ke které dochází, když nabité částice procházejí průhledným prostředím rychlostí vyšší, než je stejný fázový index světla ve stejném prostředí. Charakteristická modrá záře podvodního jaderného reaktoru je způsobena touto interakcí.
Historie
Záření je pojmenováno po sovětském vědci Pavlu Čerenkovovi, nositeli Nobelovy ceny z roku 1958. Byl to on, kdo ji v roce 1934 poprvé experimentálně objevil pod dohledem kolegy. Proto je také známý jako Vavilov-Cherenkovův efekt.
Během experimentů viděl vědec kolem radioaktivní drogy ve vodě slabé namodralé světlo. Jeho doktorská disertační práce se zabývala luminiscencí roztoků solí uranu, které byly excitovány paprsky gama namísto méně energetického viditelného světla, jak se obvykle dělá. Objevil anizotropii a dospěl k závěru, že tento efekt nebyl fluorescenční jev.
Čerenkovova teoriezáření později vyvinuli v rámci Einsteinovy teorie relativity vědcovi kolegové Igor Tamm a Ilja Frank. V roce 1958 obdrželi také Nobelovu cenu. Frank-Tammův vzorec popisuje množství energie emitované vyzařovanými částicemi na jednotku délky uraženou na jednotku frekvence. Je to index lomu materiálu, kterým náboj prochází.
Čerenkovovo záření jako kuželovitou vlnoplochu teoreticky předpověděl anglický polyhistor Oliver Heaviside v článcích publikovaných v letech 1888 až 1889 a Arnold Sommerfeld v roce 1904. Po omezení relativity superčástic až do 70. let bylo ale obojí rychle zapomenuto. Marie Curie pozorovala bledě modré světlo ve vysoce koncentrovaném roztoku radia v roce 1910, ale nezacházela do podrobností. V roce 1926 francouzští radioterapeuti vedení Lucienem popsali světelné záření radia, které má spojité spektrum.
Fyzický původ
Přestože elektrodynamika uvažuje, že rychlost světla ve vakuu je univerzální konstanta (C), rychlost, kterou se světlo šíří v médiu, může být mnohem menší než C. Rychlost se může zvýšit během jaderných reakcí a v urychlovačích částic. Vědcům je nyní jasné, že Čerenkovovo záření vzniká, když nabitý elektron prochází opticky průhledným prostředím.
Obvyklou analogií je sonický třesk superrychlého letadla. Tyto vlny, generované reaktivními tělesy,se šíří rychlostí samotného signálu. Částice se rozbíhají pomaleji než pohybující se objekt a nemohou před ním postupovat. Místo toho tvoří nárazovou frontu. Podobně může nabitá částice generovat světelnou rázovou vlnu, když prochází nějakým médiem.
Rychlost, která má být překročena, je také fázová rychlost, nikoli skupinová rychlost. První lze drasticky změnit použitím periodického média, v tomto případě lze dokonce získat Čerenkovovo záření bez minimální rychlosti částic. Tento jev je známý jako Smith-Purcellův efekt. Ve složitějším periodickém médiu, jako je fotonický krystal, lze také získat mnoho dalších anomálních reakcí, jako je záření v opačném směru.
Co se děje v reaktoru
Ve svých původních pracích o teoretických základech Tamm a Frank napsali: „Čerenkovovo záření je zvláštní reakce, kterou zjevně nelze vysvětlit žádným obecným mechanismem, jako je interakce rychlého elektronu s jedním atomem nebo záření. rozptyl do jader Na druhou stranu lze tento jev vysvětlit jak kvalitativně, tak i kvantitativně, vezmeme-li v úvahu skutečnost, že elektron pohybující se v prostředí vyzařuje světlo, i když se pohybuje rovnoměrně, za předpokladu, že jeho rychlost je větší než rychlost světlo."
O Čerenkovově záření však existují určité mylné představy. Například se má za to, že se médium polarizuje elektrickým polem částice. Pokud se posledně jmenovaný pohybuje pomalu, pak má pohyb tendenci zpětmechanické vyvážení. Když se však molekula pohybuje dostatečně rychle, omezená rychlost odezvy média znamená, že za ní zůstává rovnováha a energie v ní obsažená je vyzařována ve formě koherentní rázové vlny.
Takové koncepty nemají žádné analytické opodstatnění, protože elektromagnetické záření je emitováno, když se nabité částice pohybují v homogenním prostředí subluminálními rychlostmi, které nejsou považovány za Čerenkovovo záření.
Reverzní jev
Čerenkovova efektu lze dosáhnout pomocí látek nazývaných metamateriály se záporným indexem. Tedy s mikrostrukturou pod vlnovou délkou, která jim dává efektivní „průměrnou“vlastnost, která je velmi odlišná od ostatních, v tomto případě mající negativní permitivitu. To znamená, že když nabitá částice projde médiem rychleji, než je fázová rychlost, bude vyzařovat záření z jejího průchodu zepředu.
Je také možné získat Čerenkovovo záření s inverzním kuželem v nemetamateriálových periodických médiích. Zde je struktura ve stejném měřítku jako vlnová délka, takže ji nelze považovat za efektivně homogenní metamateriál.
Funkce
Na rozdíl od fluorescenčních nebo emisních spekter, která mají charakteristické vrcholy, je Čerenkovovo záření spojité. Kolem viditelné záře je relativní intenzita na jednotku frekvence přibližněúměrné jí. To znamená, že vyšší hodnoty jsou intenzivnější.
To je důvod, proč je viditelné Čerenkovovo záření jasně modré. Ve skutečnosti je většina procesů v ultrafialovém spektru – teprve s dostatečně urychlenými náboji se stává viditelným. Citlivost lidského oka vrcholí v zelené barvě a je velmi nízká ve fialové části spektra.
Jaderné reaktory
Čerenkovovo záření se používá k detekci vysokoenergetických nabitých částic. V jednotkách, jako jsou jaderné reaktory, se beta elektrony uvolňují jako produkty štěpného rozpadu. Záře pokračuje i po zastavení řetězové reakce a slábne, jak se látky s kratší životností rozkládají. Čerenkovova radiace může také charakterizovat zbývající radioaktivitu prvků vyhořelého paliva. Tento jev se používá ke kontrole přítomnosti vyhořelého jaderného paliva v nádržích.
