Čerenkovljev efekat

Čerenkovljevo zračenje iz jezgra nukearnog reaktora.

Čerenkovljev efekat ili Čerenkovljevo zračenje ili Čerenkov-Vavilovljev efekat je pojava vidljivog zračenja prilikom proletanja naeletrisane čestice kroz izolator brzinom koja je veća od brzine svetlosti u toj sredini. Karakteristično plavo svetljenje u nuklearnom reaktoru potiče od Čerenkovljevog zračenja. Efekat je dobio ime po ruskom fizičaru Pavelu Čerenkovu koji ga je prvi detaljno opisao i za to dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1958. godine.

Fizičko poreklo

Prema specijalnoj teoriji relativnosti, brzina svetlosti u vakuumu je univerzalna konstanta (c) dok u materijalnoj sredini može biti znatno manja od c što se najočiglednije ispoljava preko indeksa prelamanja. Na primer, brzina svetlosti u vodi je svega oko 0,75 c. U nuklearnim reakcijama ili ubrzivačima (akceleratorima) čestica materijalne čestice mogu dostići brzine mnogo veće od brzine svetlosti u materiji. Čerenkovljevo zračenje se javlja kada naeletrisana čestica, najčešće elektron, dostigne u nekoj dielektričnoj sredini (električnom izolatoru) brzinu veću od brzine svetlosti u toj istoj sredini.

Pri prolasku kroz materijalnu sredinu naeletrisana čestica na svojoj putanji remeti lokalna eletromagnetna polja. Taj poremećaj izbacuje iz ravnotežnih položaja sve prisutne elektrone i polarizuje atome i molekule. U izolatoru, pobuđeni elektroni osciluju oko svojih ravnotežnih položaja u koje se vraćaju emitujući fotone. Pod običnim uslovima dolazi do destruktivne interferencije, dakle fotoni jedni drugima smetaju i ukupan je efekat da, spolja gledano, nema nikakvog zračenja. Međutim, kada se poremećaj polja kroz sredinu kreće brže od fotona onda dolazi do konstruktivne interferncije, dakle, do slaganja lokalnih zraka zbog čega dolazi do emitovanja zračenja u okolinu.

Geometrija Čerenkovljevog zračenja.

Ovo je vrlo slično zvučnom udaru pri probijanju zvučnog zida. Zvučni talasi koje emituje izvor koji se kreće nadzvučnom brzinom nakupljaju se pred izvorom obrazujući udarni talas pa do posmatrača svi ti talasi dopru istovremeno što se ispoljava kao prasak. Slično i ispred motornog čamca nastaje veliki talas jer se kreće mnogo većom brzinom od brzine samih talasa. Tako i naeletrisana čestica koja se kreće nadsvetlosnom brzinom, ispred sebe obrazuje fotonski udarni talas.

Na slici v je brzina čestice (crvena strelica), β je v/c, n je indeks prelamanja sredine. Plave strelice predstavljaju fotone. Dakle, u potpunoj analogiji sa kretanjem motornog čamca po vodi, svetlost se emituje pod izvesnim uglom u odnosu na pravac kretanja čestice a ugao skretanja je tim veći što je veća relativna brzina čestice u odnosu na brzinu svetlosti u datoj sredini:

$\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}$.

Osobine zračenja

Intuitivno, ukupni intenzitet Čerenkovljevog zračenja je proporcionalan brzini naelektrisanih čestica i njihovom broju. Poput zakočnog, spektar Čerenkovljevog zračenja je neprekidan (kontinualan). Relativni intenziteti su proporcionalni frekvenciji, dakle, većeg intenziteta je zračenje manje talasne dužine. Zbog toga je Čerenkovljevo zračenje u vidljivom delu spektra intenzivno plavo. U stvari, najveći deo Čerenkovljevog zračenja emituje se u ultraljubičastom delu spektra.

Postoji granična frekvencija iznad koje gornja jednačina ne može da bude zadovoljena pošto indeks prelamanja zavisi od frekvencije (stoga i od talasne dužine zračenja).

Upotreba

Čerenkovljevo zračenje se koristi za detekciju naelektrisanih čestica visoke energije. Postoji mnoštvo metoda merenja zasnovanih na ovom zračenju od testiranja istrošenosti nuklearnog goriva do detekcije neutrina.

Vidi još

• Zakočno zračenje

Literatura

• L. D. Landau, E. M. Liftshitz, and L. P. Pitaevskii, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon: New York, 1984).
• J. V. Jelley, Cerenkov Radiation and Its Applications (Pergamon: London, 1958).
• S. J. Smith and E. M. Purcell, Phys. Rev. 92, 1069 (1953).
• Chiyan Luo, Mihai Ibanescu, Steven G. Johnson, and J. D. Joannopoulos, "Cerenkov Radiation in Photonic Crystals," Science 299, 368—371 (2003).