Радиация на черенков: описание, концепции

Радиацията на Черенков е електромагнитна реакция, която възниква, когато заредени частици преминават през прозрачна среда със скорост, по-голяма от аналогичния фазов индекс на светлината в същата среда. Характерното синьо сияние на подводния ядрен реактор се дължи на това взаимодействие.

История

Радиацията е кръстена на съветския учен Павел Черенков, който получава Нобелова награда през 1958 г. Той е първият, който я открива експериментално под наблюдението на свой колега през 1934 г. Затова той е известен и като ефект на Вавилов-Черенков.

По време на експериментите си ученият вижда слаба синкава светлина около радиоактивно лекарство във вода. Докторската му дисертация е посветена на луминесценцията на разтвори на уранови соли, които са възбудени от гама-лъчи вместо от по-малко енергийна видима светлина, както обикновено се прави. Той открива анизотропия и стига до заключението, че ефектът не е флуоресцентно явление.

По-късно теорията за лъчението на Черенков е разработена като част от теорията на относителността на Айнщайн от учените Игор Тамм и Иля Франк. Двамата получават и Нобелова награда за 1958 г. Формулата на Франк-Там описва количеството енергия, излъчено от излъчените частици за единица дължина на пътя за единица честота. Това е показателят на пречупване на материала, през който преминава зарядът.

Излъчването на Черенков като фронт на конична вълна е теоретично предсказано от английския полиглот Оливър Хевисайд в статии, публикувани между 1888 и 1889 г., и от Арнолд Зомерфелд през 1904 г. Но и двете бяха бързо забравени след ограничаването на теорията за свръхчастиците на относителността до 70-те години на ХХ век. През 1910 г. Мария Кюри наблюдава бледосиня светлина в силно концентриран разтвор на радий, но не навлиза в подробности. През 1926 г. френските радиотерапевти, ръководени от Люсиен, описват светлинното излъчване на радия като непрекъснат спектър.

Физически произход

Въпреки че според електродинамиката скоростта на светлината във вакуум е универсална константа (C), аналогичната скорост, с която се разпространява луминесценцията в среда, може да бъде много по-малка от C. Скоростта може да се увеличи по време на ядрени реакции и в ускорители на частици. Учените вече разбират, че лъчението на Черенков възниква, когато зареден електрон преминава през оптично прозрачна среда.

Често срещана аналогия е звуковият бум на свръхбърз самолет. Тези вълни, генерирани от реактивни тела, се разпространяват със скоростта на самия сигнал. Частиците се отклоняват по-бавно от движещия се обект и не могат да го изпреварят. Вместо това се образува фронт на удара. По същия начин заредена частица може да генерира светлинна ударна вълна при преминаване през някаква среда.

Освен това скоростта, която трябва да се превиши, е фазова, а не групова скорост. Първата може да се промени драстично чрез използване на периодична среда и в този случай може да се получи дори излъчване на Черенков без минимална скорост на частиците. Това явление е известно като ефект на Смит-Персел. В една по-сложна периодична среда, като например фотонен кристал, могат да се получат и много други аномални реакции, като например обратно излъчване.

Какво се случва в реактора

В своите оригинални документи за теоретичните основи Тамм и Франк пишат: "Радиацията на Черенков е особена реакция, която очевидно не може да бъде обяснена с общ механизъм, като например взаимодействието на бърз електрон с единичен атом или разсейването на радиацията върху ядрата. От друга страна, явлението може да се обясни както качествено, така и количествено, като се вземе предвид фактът, че електрон, движещ се в среда, излъчва светлина, дори ако се движи равномерно, при условие че скоростта му е по-голяма от тази на светлината."

Въпреки това има някои погрешни схващания за лъчението на Черенков. Например се приема, че средата се поляризира от електрическото поле на частицата. Ако последният се движи бавно, движението се връща към механично равновесие. Въпреки това, когато молекулата се движи достатъчно бързо, ограничената скорост на реакция на средата означава, че нейната следа остава в равновесие и съдържащата се в нея енергия се излъчва под формата на кохерентна ударна вълна.

Подобни концепции нямат аналитична обосновка, тъй като електромагнитно излъчване се излъчва, когато заредени частици се движат в хомогенна среда със субсветлинни скорости, които не се разглеждат като Черенковско излъчване.

Обратно явление

Ефектът на Черенков може да се получи с помощта на вещества, наречени метаматериали, с отрицателен индекс. Тоест с микроструктура с дължина под вълната, която им придава ефективно "средно" свойство, много различно от останалите, в този случай с отрицателна проницаемост. Това означава, че когато заредена частица се движи през средата със скорост, превишаваща фазовата скорост, тя ще излъчва радиация от преминаването си през средата пред.

Може да се получи и излъчване на Черенков с обратен конус в неметаматериални периодични среди. Тук структурата е в същия мащаб като дължината на вълната, така че не може да се разглежда като ефективно хомогенен метаматериал.

Характеристики

За разлика от флуоресцентните или емисионните спектри, които имат характерни пикове, Черенковското излъчване е непрекъснато. Около видимата светлина относителният интензитет за единица честота е приблизително пропорционален на нея. Това означава, че по-високите стойности са по-интензивни.

Ето защо видимото излъчване на Черенков е яркосиньо. Всъщност повечето процеси са в ултравиолетовия спектър - само при достатъчно ускорени заряди той става видим. Чувствителността на човешкото око достига връх в зелената част на спектъра и е много ниска във виолетовата част.

Ядрени реактори

Черенковското лъчение се използва за откриване на високоенергийни заредени частици. В устройства като ядрените реактори бета-електроните се освобождават като продукти от разпадането. Сиянието продължава и след спирането на верижната реакция, като потъмнява с разпадането на по-краткоживеещите вещества. Освен това с лъчението на Черенков може да се определи остатъчната радиоактивност на излезлите от употреба горивни елементи. Това явление Използва се за изпитване на отработено ядрено гориво в резервоарите.