Cherenkov-stråling er en elektromagnetisk reaktion, der opstår, når ladede partikler passerer gennem et transparent medium med en hastighed, der er større end det samme faseindeks for lys i det samme medium. Det karakteristiske blå skær fra en undervandsatomreaktor skyldes denne interaktion.
Historie
Strålingen er opkaldt efter den sovjetiske videnskabsmand Pavel Cherenkov, vinder af Nobelprisen i 1958. Det var ham, der først opdagede det eksperimentelt under opsyn af en kollega i 1934. Derfor er den også kendt som Vavilov-Cherenkov-effekten.
En videnskabsmand så et svagt blåligt lys omkring et radioaktivt stof i vand under eksperimenter. Hans doktorafhandling handlede om luminescensen af opløsninger af urans alte, som blev exciteret af gammastråler i stedet for det mindre energiske synlige lys, som man norm alt gør. Han opdagede anisotropi og konkluderede, at denne effekt ikke var et fluorescerende fænomen.
Cherenkovs teoristråling blev senere udviklet inden for rammerne af Einsteins relativitetsteori af videnskabsmandens kolleger Igor Tamm og Ilya Frank. De modtog også Nobelprisen i 1958. Frank-Tamm-formlen beskriver mængden af energi, der udsendes af udstrålede partikler pr. længdeenhed, der rejses pr. frekvensenhed. Det er brydningsindekset for det materiale, ladningen passerer igennem.
Cherenkov-stråling som en konisk bølgefront blev teoretisk forudsagt af den engelske polymat Oliver Heaviside i artikler udgivet mellem 1888 og 1889, og af Arnold Sommerfeld i 1904. Men begge blev hurtigt glemt efter begrænsningen af superpartikel-relativitet indtil 1970'erne. Marie Curie observerede lyseblåt lys i en stærkt koncentreret opløsning af radium i 1910, men gik ikke i detaljer. I 1926 beskrev franske stråleterapeuter ledet af Lucien den lysende stråling fra radium, som har et kontinuerligt spektrum.
Fysisk oprindelse
Selvom elektrodynamikken mener, at lysets hastighed i vakuum er en universel konstant (C), kan den hastighed, hvormed lys udbredes i et medium, være meget mindre end C. Hastigheden kan stige under kernereaktioner og i partikelacceleratorer. Det er nu klart for videnskabsmænd, at Cherenkov-stråling opstår, når en ladet elektron passerer gennem et optisk gennemsigtigt medium.
Den sædvanlige analogi er lyden af et superhurtigt fly. Disse bølger, genereret af reaktive legemer,forplante sig med selve signalets hastighed. Partikler divergerer langsommere end et objekt i bevægelse og kan ikke gå foran det. I stedet danner de en stødfront. På samme måde kan en ladet partikel generere en let chokbølge, når den passerer gennem et eller andet medium.
Den hastighed, der skal overskrides, er også en fasehastighed, ikke en gruppehastighed. Førstnævnte kan ændres drastisk ved at bruge et periodisk medium, i hvilket tilfælde man endda kan opnå Cherenkov-stråling uden en minimal partikelhastighed. Dette fænomen er kendt som Smith-Purcell-effekten. I et mere komplekst periodisk medium, såsom en fotonisk krystal, kan der også opnås mange andre unormale reaktioner, såsom stråling i den modsatte retning.
Hvad sker der i reaktoren
I deres originale artikler om det teoretiske grundlag skrev Tamm og Frank: "Cherenkov-stråling er en ejendommelig reaktion, der tilsyneladende ikke kan forklares med nogen generel mekanisme, såsom interaktionen af en hurtig elektron med et enkelt atom eller stråling spredning i kerner På den anden side kan dette fænomen forklares både kvalitativt og kvantitativt, hvis vi tager i betragtning, at en elektron, der bevæger sig i et medium, udsender lys, selvom den bevæger sig ensartet, forudsat at dens hastighed er større end lys."
Der er dog nogle misforståelser om Cherenkov-stråling. For eksempel anses det for, at mediet bliver polariseret af partiklens elektriske felt. Hvis sidstnævnte bevæger sig langsomt, så tenderer bevægelsen tilbage tilmekanisk balance. Men når molekylet bevæger sig hurtigt nok, betyder mediets begrænsede reaktionshastighed, at ligevægten forbliver i dets kølvand, og energien indeholdt i det udstråles i form af en sammenhængende chokbølge.
Sådanne begreber har ingen analytisk begrundelse, da elektromagnetisk stråling udsendes, når ladede partikler bevæger sig i et homogent medium ved subluminale hastigheder, som ikke betragtes som Cherenkov-stråling.
Omvendt fænomen
Cherenkov-effekten kan opnås ved at bruge stoffer kaldet metamaterialer med et negativt indeks. Det vil sige med en subbølgelængde mikrostruktur, som giver dem en effektiv "gennemsnitlig" egenskab, der er meget forskellig fra de andre, i dette tilfælde med en negativ permittivitet. Det betyder, at når en ladet partikel passerer gennem et medium hurtigere end fasehastigheden, vil den udsende stråling fra sin passage gennem den forfra.
Det er også muligt at opnå Cherenkov-stråling med en omvendt kegle i ikke-metamateriale periodiske medier. Her er strukturen på samme skala som bølgelængden, så det kan ikke betragtes som et effektivt homogent metamateriale.
Funktioner
I modsætning til fluorescens- eller emissionsspektre, som har karakteristiske toppe, er Cherenkov-strålingen kontinuerlig. Omkring det synlige skær er den relative intensitet pr. frekvensenhed caproportional med hende. Det vil sige, højere værdier er mere intense.
Det er grunden til, at den synlige Cherenkov-stråling er lyseblå. Faktisk er de fleste af processerne i det ultraviolette spektrum – kun med tilstrækkeligt accelererede ladninger bliver det synligt. Følsomheden af det menneskelige øje topper i grønt og er meget lav i den violette del af spektret.
Atomreaktorer
Cherenkov-stråling bruges til at detektere højenergiladede partikler. I enheder som atomreaktorer frigives beta-elektroner som sp altningsprodukter. Gløden fortsætter, efter at kædereaktionen stopper, og dæmpes efterhånden som stoffer med kortere levetid henfalder. Cherenkov-stråling kan også karakterisere den resterende radioaktivitet af brugte brændselselementer. Dette fænomen bruges til at kontrollere tilstedeværelsen af brugt nukleart brændsel i tanke.
