Черенковское излучение: описание, основные понятия
Черенковское излучение представляет собой электромагнитную реакцию, которая случается, когда заряженные частицы проходят через прозрачную среду при скорости большей, чем аналогичный фазовый показатель света в этой же среде. Характерное синее свечение подводного ядерного реактора обусловлено данным взаимодействием.
История
Излучение названо в честь советского ученого Павла Черенкова, лауреата Нобелевской премии 1958 года. Именно он первым обнаружил его экспериментально под наблюдением коллеги в 1934 году. Поэтому оно также известно как эффект Вавилова-Черенкова.
Ученый увидел слабый голубоватый свет вокруг радиоактивного препарата в воде во время экспериментов. Его докторская диссертация была посвящена люминесценции растворов солей урана, которые возбуждались гамма-лучами вместо менее энергичного видимого света, как это обычно делается. Он обнаружил анизотропию и пришел к выводу, что этот эффект не был флуоресцентным явлением.
Теория черенковского излучения позже была разработана в рамках теории относительности Эйнштейна коллегами ученого Игорем Таммом и Ильей Франком. Они также получили Нобелевскую премию 1958 года. Формула Франка-Тамма описывает количество энергии, испускаемой излучаемыми частицами на единицу длины пройденного пути за единицу частоты. Она является показателем преломления материала, через который проходит заряд.
Черенковское излучение как конический волновой фронт было теоретически предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом в работах, опубликованных между 1888 и 1889 годами, и Арнольдом Зоммерфельдом в 1904. Но оба они были быстро забыты после ограничения теории относительности суперчастиц до 1970-х. Мари Кюри наблюдала бледно-синий свет в высококонцентрированном растворе радия в 1910 году, но не стала разбираться в деталях. В 1926 французские радиотерапевты под руководством Люциена описали светящееся излучение радия, имеющее непрерывный спектр.
Физическое происхождение
Хотя электродинамика считает, что скорость света в вакууме является универсальной постоянной (С), аналогичный показатель, с которым свечение распространяется в среде, может быть значительно меньше, чем С. Скорость может увеличиваться во время ядерных реакций и в ускорителях частиц. Сейчас ученым уже понятно, что черенковское излучение возникает, когда заряженный электрон проходит через оптически прозрачную среду.
Обычная аналогия - звуковой удар сверхбыстрого самолета. Эти волны, генерируемые с помощью реактивных тел, распространяются со скоростью самого сигнала. Частицы расходятся медленнее, чем движущийся объект, и не могут выдвинуться, опережая его. Вместо этого образуют фронт удара. Подобным образом заряженная частица может генерировать легкую ударную волну, когда она проходит через некоторую среду.
Кроме того, скорость, которая должна быть превышена, является фазовой, а не групповой. Первую можно резко изменить, используя периодическую среду, и в этом случае можно даже получить черенковское излучение без минимальной скорости частиц. Это явление известно как эффект Смита-Перселла. В более сложной периодической среде, такой как фотонный кристалл, можно также получить множество других аномальных реакций, таких как излучение в обратном направлении.
Что происходит в реакторе
В своих оригинальных работах по теоретическим основам Тамм и Фрэнк написали: "Черенковское излучение — это своеобразная реакция, по-видимому, нельзя объяснить каким-либо общим механизмом, таким как взаимодействие быстрого электрона с отдельным атомом или радиационное рассеяние на ядра. С другой стороны, это явление можно объяснить как качественно, так и количественно, если принять во внимание тот факт, что электрон, движущийся в среде, излучает свет, даже если он перемещается равномерно, при условии, что его скорость больше чем у света."
Однако существуют некоторые заблуждения относительно черенковского излучения. Например, считается, что среда становится поляризованной электрическим полем частицы. Если последняя перемещается медленно, то движение стремится обратно к механическому равновесию. Однако, когда молекула движется достаточно быстро, ограниченная скорость отклика среды означает, что в ее следе остается равновесие, и энергия, содержащаяся в нем, излучается в виде когерентной ударной волны.
Такие концепции не имеют аналитического обоснования, поскольку электромагнитное излучение испускается, когда заряженные частицы движутся в однородной среде с субсветовыми скоростями, которые не рассматриваются как черенковское излучение.
Обратное явление
Эффект Черенкова можно получить, используя вещества, называемые метаматериалами с отрицательным индексом. То есть, с субволновой микроструктурой, которая дает им эффективное «среднее» свойство, сильно отличающееся от остальных, в данном случае имеющее отрицательную диэлектрическую проницаемость. Это означает, что когда заряженная частица проходит через среду со скоростью, превышающей фазовую, она будет испускать излучение от своего прохождения через нее спереди.
Можно также получить черенковское излучение с обратным конусом в неметаматериальных периодических средах. Здесь структура имеет тот же масштаб, что и длина волны, поэтому ее нельзя рассматривать как эффективно однородный метаматериал.
Характеристики
В отличие от флуоресцентных или эмиссионных спектров, имеющих характерные пики, черенковское излучение является непрерывным. Вокруг видимого свечения относительная интенсивность на единицу частоты приблизительно пропорциональна ей. То есть более высокие значения интенсивнее.
Вот почему видимое черенковское излучение имеет ярко-синий цвет. На самом деле, большинство процессов находится в ультрафиолетовом спектре — только с достаточно ускоренными зарядами оно становится видимым. Чувствительность человеческого глаза достигает пика зеленого цвета и очень мала в фиолетовой части спектра.
Ядерные реакторы
Черенковское излучение используется для обнаружения заряженных частиц высоких энергий. В агрегатах типа ядерных реакторов бета-электроны выпускаются в качестве продуктов деления распада. Свечение продолжается после того, как цепная реакция прекращается, затемняясь, поскольку вещества с более коротким сроком существования распадаются. Также черенковское излучение может характеризовать оставшуюся радиоактивность отслуживших срок тепловыделяющих элементов. Это явление используется для проверки наличия отработавшего ядерного топлива в резервуарах.