Черенковското излъчване е електромагнитна реакция, която възниква, когато заредените частици преминават през прозрачна среда със скорост, по-голяма от същия фазов индекс на светлината в същата среда. Характерното синьо сияние на подводен ядрен реактор се дължи на това взаимодействие.
История
Излъчването е кръстено на съветския учен Павел Черенков, носител на Нобелова награда за 1958 г. Именно той за първи път го открива експериментално под наблюдението на свой колега през 1934 г. Следователно, той е известен още като ефекта на Вавилов-Черенков.
Учен видял слаба синкава светлина около радиоактивно лекарство във вода по време на експерименти. Докторската му дисертация беше върху луминесценцията на разтвори на уранови соли, които се възбуждаха от гама лъчи вместо от по-малко енергийната видима светлина, както обикновено се прави. Той открива анизотропията и заключава, че този ефект не е флуоресцентно явление.
Теорията на Черенковпо-късно радиацията е разработена в рамките на теорията на относителността на Айнщайн от колегите на учения Игор Там и Иля Франк. Те също така получиха Нобелова награда за 1958 г. Формулата на Франк-Там описва количеството енергия, излъчвано от излъчените частици на единица дължина, измината за единица честота. Това е индексът на пречупване на материала, през който преминава зарядът.
Черенковското излъчване като коничен вълнов фронт е теоретично предсказано от английския специалист Оливър Хевисайд в статии, публикувани между 1888 и 1889 г., и от Арнолд Сомерфелд през 1904 г. Но и двете бързо са забравени след ограничаването на относителността на суперчастиците до 1970 г. Мария Кюри наблюдава бледосиня светлина в силно концентриран разтвор на радий през 1910 г., но не навлиза в подробности. През 1926 г. френски лъчетерапевти, водени от Люсиен, описват светлинното излъчване на радий, което има непрекъснат спектър.
Физически произход
Въпреки че електродинамиката счита, че скоростта на светлината във вакуум е универсална константа (C), скоростта, с която светлината се разпространява в среда, може да бъде много по-малка от C. Скоростта може да се увеличи по време на ядрени реакции и в ускорителите на частици. Вече е ясно за учените, че радиацията на Черенков възниква, когато зареден електрон преминава през оптически прозрачна среда.
Обикновената аналогия е звуковият бум на супер бърз самолет. Тези вълни, генерирани от реактивни тела,се разпространяват със скоростта на самия сигнал. Частиците се разминават по-бавно от движещ се обект и не могат да напредват пред него. Вместо това те образуват фронт на удара. По същия начин, заредена частица може да генерира лека ударна вълна, когато премине през някаква среда.
Също така, скоростта, която трябва да бъде превишена, е фазова скорост, а не групова скорост. Първият може да бъде променен драстично чрез използване на периодична среда, в който случай може дори да се получи черенковско лъчение без минимална скорост на частиците. Това явление е известно като ефекта на Смит-Пърсел. В по-сложна периодична среда, като фотонен кристал, могат да се получат и много други аномални реакции, като излъчване в обратна посока.
Какво се случва в реактора
В оригиналните си статии за теоретичните основи Там и Франк пишат: „Черенковското излъчване е особена реакция, която очевидно не може да се обясни с никакъв общ механизъм, като взаимодействието на бърз електрон с един атом или радиация разсейване в ядра От друга страна, това явление може да се обясни както качествено, така и количествено, ако вземем предвид факта, че електрон, движещ се в среда, излъчва светлина, дори и да се движи равномерно, при условие че скоростта му е по-голяма от тази на светлина."
Въпреки това, има някои погрешни схващания за радиацията на Черенков. Например, счита се, че средата се поляризира от електрическото поле на частицата. Ако последното се движи бавно, тогава движението се връща къммеханичен баланс. Въпреки това, когато молекулата се движи достатъчно бързо, ограничената скорост на реакция на средата означава, че равновесието остава след нея и енергията, съдържаща се в нея, се излъчва под формата на кохерентна ударна вълна.
Такива концепции нямат аналитична обосновка, тъй като електромагнитното лъчение се излъчва, когато заредените частици се движат в хомогенна среда със скорости под светлината, които не се считат за радиация на Черенков.
Обратно явление
Ефектът на Черенков може да се получи с помощта на вещества, наречени метаматериали с отрицателен индекс. Тоест с микроструктура на подвълновата дължина, която им дава ефективно "средно" свойство, което е много различно от останалите, като в този случай има отрицателна проницаемост. Това означава, че когато заредена частица премине през среда, по-бърза от фазовата скорост, тя ще излъчва радиация от преминаването си през нея отпред.
Възможно е също така да се получи радиация на Черенков с обратен конус в периодична среда без метаматериал. Тук структурата е в същия мащаб като дължината на вълната, така че не може да се счита за ефективно хомогенен метаматериал.
Функции
За разлика от флуоресцентните или емисионните спектри, които имат характерни пикове, радиацията на Черенков е непрекъсната. Около видимото сияние относителният интензитет на единица честота е приблизителнопропорционално на нея. Тоест, по-високите стойности са по-интензивни.
Ето защо видимата радиация на Черенков е ярко синя. Всъщност повечето процеси са в ултравиолетовия спектър – само при достатъчно ускорени заряди става видим. Чувствителността на човешкото око е в зелено и е много ниска във виолетовата част на спектъра.
Ядрени реактори
Черенковското лъчение се използва за откриване на високоенергийни заредени частици. В блокове като ядрени реактори, бета електроните се освобождават като продукти на разпад на делене. Сиянието продължава след спиране на верижната реакция, затъмнявайки, тъй като веществата с по-кратък живот се разпадат. Също така радиацията на Черенков може да характеризира оставащата радиоактивност на отработените горивни елементи. Този феномен се използва за проверка за наличие на отработено ядрено гориво в резервоарите.
