Черенковское випромінювання представляє собою електромагнітну реакцію, яка трапляється, коли заряджені частинки проходять через прозоре середовище при швидкості більшою, ніж аналогічний фазовий показник світла у цій ж середовищі. Характерне синє світіння підводного ядерного реактора обумовлено даними взаємодією.

Історія

Випромінювання названо на честь радянського вченого Павла Черенкова, лауреата Нобелівської премії 1958 року. Саме він першим виявив його експериментально під наглядом колеги в 1934 році. Тому воно також відоме як ефект Вавілова-Черенкова. Учений побачив слабкий блакитнувате світло навколо радіоактивного препарату в воді під час експериментів. Його докторська дисертація була присвячена люмінесценції розчинів солей урану, які порушувалися гамма-променями замість менш енергійного видимого світла, як це зазвичай робиться. Він виявив анізотропію і прийшов до висновку, що цей ефект не був флуоресцентним явищем. Теорія черенковского випромінювання пізніше була розроблена в рамках теорії відносності Ейнштейна колегами вченого Тамм та Іллею Франком. Вони також отримали Нобелівську премію 1958 року. Формула Франка-Тамма описує кількість енергії, испускаемой излучаемыми частками на одиницю довжини пройденого шляху за одиницю частоти. Вона є показником заломлення матеріалу, через який проходить заряд.

Черенковское випромінювання як конічний хвильовий фронт було теоретично передбачене англійською ерудитом Олівером Хевисайдом в роботах, опублікованих між 1888 і 1889 роками, і Арнольдом Зоммерфельдом в 1904. Але обидва вони були швидко забуті після обмеження теорії відносності суперчастиц до 1970-х. Марі Кюрі спостерігала блідо-синє світло у висококонцентрованій розчині радію в 1910 році, але не стала розбиратися в деталях. У 1926 французькі радіотерапевти під керівництвом Люциена описали світиться випромінювання радію, що має безперервний спектр.

Фізичне походження

Хоча електродинаміка вважає, що швидкість світла у вакуумі є універсальною постійної (З), аналогічний показник, з яким світіння поширюється в середовищі, може бути значно менше, ніж С. Швидкість може збільшуватися під час ядерних реакцій і в прискорювачах частинок. Зараз вченим вже зрозуміло, що черенковское випромінювання виникає, коли заряджений електрон проходить через оптично прозору середу. Звичайна аналогія - звуковий удар надшвидкого літака. Ці хвилі, що генеруються за допомогою реактивних тіл, поширюються зі швидкістю самого сигналу. Частинки розходяться повільніше, ніж рухомий об'єкт, і не можуть висунутися, випереджаючи його. Замість цього утворюють фронт удару. Подібним чином заряджена частинка може генерувати легку ударну хвилю, коли вона проходить через деяку середу.

Крім того, швидкість, яка повинна бути перевищена, є фазовою, а не груповий. Першу можна різко змінити, використовуючи періодичну середу, і в цьому випадку можна навіть отримати черенковское випромінювання без мінімальної швидкості частинок. Це явище відоме як ефект Сміта-Перселла. У більш складної періодичної середовищі, такий як фотонний кристал, можна також отримати безліч інших аномальних реакцій, таких як випромінювання у зворотному напрямку.

Що відбувається в реакторі

У своїх оригінальних роботах з теоретичних основ Тамм і Френк написали: "Черенковское випромінювання — це своєрідна реакція, мабуть, можна пояснити яким-небудь загальним механізмом, таким як взаємодія швидкого електрона з окремим атомом або радіаційне розсіяння на ядра. З іншого боку, це явище можна пояснити як якісно, так і кількісно, якщо взяти до уваги той факт, що електрон, що рухається в середовищі, що випромінює світло, навіть якщо він переміщається рівномірно, за умови, що його швидкість більше ніж у світла". Однак існують деякі помилки щодо черенковского випромінювання. Наприклад, вважається, що середовище стає поляризованої електричним полем частинки. Якщо остання переміщується повільно, то рух прагне назад до механічної рівноваги. Однак, коли молекула рухається досить швидко, обмежена швидкість відгуку середовища означає, що в її сліді залишається рівновагу, і енергія, що міститься в ньому, випромінюється у вигляді когерентної ударної хвилі. Такі концепції не мають аналітичного обґрунтування, оскільки електромагнітне випромінювання випускається, коли заряджені частинки рухаються в однорідному середовищі з субсветовыми швидкостями, які не розглядаються як черенковское випромінювання.

Зворотне явище

Ефект Черенкова можна отримати, використовуючи речовини, звані метаматериалами з негативним індексом. Тобто, з субволновой мікроструктурою, яка дає їм ефективне «середнє» властивість, сильно відрізняється від інших, в даному випадку має негативну діелектричну проникність. Це означає, що коли заряджена частинка проходить через середовище зі швидкістю, що перевищує фазову, вона буде випускати випромінювання від свого проходження через неї спереду. Можна також отримати черенковское випромінювання з зворотнім конусом в неметаматериальных періодичних середовищах. Тут структура має той ж масштабу, що і довжина хвилі, тому її не можна розглядати як ефективно однорідний метаматеріал.

Характеристики

На відміну від флуоресцентних або емісійних спектрів, що мають характерні піки, черенковское випромінювання є безперервним. Навколо видимого світла відносна інтенсивність на одиницю частоти приблизно пропорційна їй. Тобто більш високі значення інтенсивніше. Ось чому видиме черенковское випромінювання має яскраво-синій колір. Насправді, більшість процесів знаходиться в ультрафіолетовому спектрі — тільки з досить прискореними зарядами воно стає видимим. Чутливість людського ока досягає піку зеленого кольору і дуже мала у фіолетовій частині спектра.

Ядерні реактори

Черенковское випромінювання використовується для виявлення заряджених частинок високих енергій. В агрегатах типу ядерних реакторів бета-електрони випускаються як розпаду продуктів поділу. Світіння триває після того, як ланцюгова реакція припиняється, затемнюючись, оскільки речовини з більш коротким терміном існування розпадаються. Також черенковское випромінювання може характеризувати залишилася радіоактивність відслужили термін тепловиділяючих елементів. Це явище використовується для перевірки наявності відпрацьованого ядерного палива в резервуарах.