รังสีเชเรนคอฟเป็นปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่มีประจุผ่านตัวกลางโปร่งใสด้วยความเร็วที่สูงกว่าดัชนีเฟสเดียวกันของแสงในตัวกลางเดียวกัน แสงสีน้ำเงินที่เป็นลักษณะเฉพาะของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ใต้น้ำเกิดจากการโต้ตอบนี้
ประวัติศาสตร์
รังสีนี้ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์โซเวียต Pavel Cherenkov ผู้ได้รับรางวัลโนเบลปี 1958 เขาเป็นคนแรกที่ค้นพบมันโดยการทดลองภายใต้การดูแลของเพื่อนร่วมงานในปี 2477 ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์ Vavilov-Cherenkov
นักวิทยาศาสตร์เห็นแสงสีน้ำเงินจางๆ รอบยากัมมันตภาพรังสีในน้ำระหว่างการทดลอง วิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาคือการเรืองแสงของสารละลายเกลือยูเรเนียม ซึ่งตื่นเต้นด้วยรังสีแกมมาแทนที่จะเป็นแสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีพลังน้อยกว่าตามปกติ เขาค้นพบ anisotropy และสรุปว่าเอฟเฟกต์นี้ไม่ใช่ปรากฏการณ์เรืองแสง
ทฤษฎีของเชเรนคอฟรังสีได้รับการพัฒนาในเวลาต่อมาภายใต้กรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์โดยเพื่อนร่วมงานของนักวิทยาศาสตร์ Igor Tamm และ Ilya Frank พวกเขายังได้รับรางวัลโนเบลปี 1958 สูตร Frank-Tamm อธิบายปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากอนุภาคที่แผ่รังสีต่อความยาวหน่วยที่เดินทางต่อความถี่หน่วย เป็นดัชนีหักเหของวัสดุที่ประจุผ่าน
การแผ่รังสีเชเรนคอฟในฐานะแนวคลื่นรูปกรวยถูกทำนายในทางทฤษฎีโดยพหุคณิตศาสตร์ Oliver Heaviside ในเอกสารที่ตีพิมพ์ระหว่างปี 1888 และ 1889 และโดย Arnold Sommerfeld ในปี 1904 แต่ทั้งคู่ก็ถูกลืมไปอย่างรวดเร็วหลังจากข้อจำกัดของสัมพัทธภาพซุปเปอร์อนุภาคจนถึงปี 1970 Marie Curie สังเกตแสงสีฟ้าซีดในสารละลายเรเดียมที่มีความเข้มข้นสูงในปี 1910 แต่ไม่ได้ลงรายละเอียด ในปี 1926 นักรังสีบำบัดชาวฝรั่งเศสนำโดย Lucien บรรยายถึงการแผ่รังสีเรเดียมซึ่งมีสเปกตรัมต่อเนื่อง
กำเนิดทางกายภาพ
แม้ว่าอิเล็กโทรไดนามิกส์จะพิจารณาว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่สากล (C) แต่อัตราที่แสงแพร่กระจายในตัวกลางอาจน้อยกว่า C มาก ความเร็วอาจเพิ่มขึ้นระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์และในเครื่องเร่งอนุภาค. นักวิทยาศาสตร์ทราบแล้วว่าการแผ่รังสี Cherenkov เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุผ่านตัวกลางที่โปร่งใสทางแสง
ความคล้ายคลึงกันทั่วไปคือคลื่นเสียงของเครื่องบินความเร็วสูง คลื่นเหล่านี้สร้างขึ้นโดยวัตถุปฏิกิริยาแพร่กระจายด้วยความเร็วของสัญญาณเอง อนุภาคเคลื่อนตัวช้ากว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ และไม่สามารถเคลื่อนไปข้างหน้าได้ แต่กลับสร้างผลกระทบด้านหน้า ในทำนองเดียวกัน อนุภาคที่มีประจุสามารถสร้างคลื่นกระแทกเบา ๆ เมื่อผ่านตัวกลางบางตัว
ความเร็วที่จะเกินก็คือความเร็วเฟส ไม่ใช่ความเร็วกลุ่ม อดีตสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากโดยใช้ตัวกลางเป็นระยะ ซึ่งในกรณีนี้สามารถได้รับรังสี Cherenkov โดยไม่มีความเร็วของอนุภาคขั้นต่ำ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์สมิธ-เพอร์เซลล์ ในตัวกลางที่เป็นคาบที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ผลึกโฟโตนิก สามารถรับปฏิกิริยาผิดปกติอื่นๆ ได้อีกมากมาย เช่น การแผ่รังสีในทิศทางตรงกันข้าม
เกิดอะไรขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์
ในเอกสารต้นฉบับของพวกเขาเกี่ยวกับพื้นฐานทางทฤษฎี Tamm และ Frank เขียนว่า: "การแผ่รังสี Cherenkov เป็นปฏิกิริยาแปลก ๆ ที่เห็นได้ชัดว่าไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกลไกทั่วไปใด ๆ เช่นปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนเร็วกับอะตอมเดี่ยวหรือการแผ่รังสี กระเจิงเป็นนิวเคลียส ในทางกลับกัน ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ทั้งในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ หากเราคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในตัวกลางจะเปล่งแสงออกมา แม้ว่าจะเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอก็ตาม โดยมีเงื่อนไขว่าความเร็วของอิเล็กตรอนนั้นมากกว่าความเร็วของ เบา."
อย่างไรก็ตาม มีความเข้าใจผิดบางประการเกี่ยวกับรังสีเชเรนคอฟ ตัวอย่างเช่น ถือว่าตัวกลางกลายเป็นโพลาไรซ์โดยสนามไฟฟ้าของอนุภาค ถ้าอย่างหลังเคลื่อนไหวช้า การเคลื่อนไหวก็มีแนวโน้มกลับไปความสมดุลทางกล อย่างไรก็ตาม เมื่อโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วเพียงพอ ความเร็วตอบสนองที่จำกัดของตัวกลางหมายความว่าสมดุลยังคงตื่นอยู่ และพลังงานที่อยู่ในโมเลกุลจะแผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นกระแทกที่เชื่อมโยงกัน
แนวคิดดังกล่าวไม่มีเหตุผลในการวิเคราะห์ เนื่องจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาเมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความเร็วใต้แสง ซึ่งไม่ถือเป็นการแผ่รังสีเชเรนคอฟ
ปรากฏการณ์ย้อนกลับ
ผล Cherenkov สามารถรับได้โดยใช้สารที่เรียกว่า metamaterials ที่มีดัชนีเชิงลบ นั่นคือด้วยโครงสร้างจุลภาคที่มีความยาวคลื่นย่อย ซึ่งทำให้มีคุณสมบัติ "เฉลี่ย" ที่มีประสิทธิภาพซึ่งแตกต่างจากที่อื่นมาก ในกรณีนี้มีค่าการยอมให้ติดลบ ซึ่งหมายความว่าเมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนผ่านตัวกลางที่เร็วกว่าความเร็วของเฟส มันจะปล่อยรังสีออกมาจากทางด้านหน้าของมัน
นอกจากนี้ยังสามารถรับรังสี Cherenkov ด้วยกรวยผกผันในสื่อเป็นระยะที่ไม่ใช่ metamaterial โครงสร้างนี้อยู่ในระดับเดียวกับความยาวคลื่น ดังนั้นจึงไม่ถือว่าเป็น metamaterial ที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างมีประสิทธิภาพ
คุณสมบัติ
รังสีเชเรนคอฟแตกต่างจากสเปกตรัมการเรืองแสงหรือการปล่อยซึ่งมียอดเฉพาะ รอบการเรืองแสงที่มองเห็นได้ ความเข้มสัมพัทธ์ต่อหน่วยความถี่จะอยู่ที่ประมาณเป็นสัดส่วนกับเธอ กล่าวคือ ค่าสูงยิ่งเข้มข้น
นี่คือสาเหตุที่รังสี Cherenkov ที่มองเห็นได้เป็นสีฟ้าสดใส อันที่จริง กระบวนการส่วนใหญ่อยู่ในสเปกตรัมอัลตราไวโอเลต - เฉพาะเมื่อมีประจุเร่งเพียงพอเท่านั้นจึงจะมองเห็นได้ ความไวของดวงตามนุษย์มียอดเป็นสีเขียวและอยู่ในส่วนสีม่วงของสเปกตรัมต่ำมาก
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
รังสีเชเรนคอฟใช้เพื่อตรวจจับอนุภาคที่มีประจุพลังงานสูง ในหน่วยต่างๆ เช่น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เบต้าอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกมาเป็นผลิตภัณฑ์การสลายตัวแบบฟิชชัน การเรืองแสงยังคงดำเนินต่อไปหลังจากปฏิกิริยาลูกโซ่หยุดลง โดยจะหรี่ลงเมื่อสารที่มีอายุสั้นสลายตัว นอกจากนี้ รังสี Cherenkov ยังสามารถกำหนดลักษณะกัมมันตภาพรังสีที่เหลืออยู่ขององค์ประกอบเชื้อเพลิงใช้แล้ว ปรากฏการณ์นี้ใช้เพื่อตรวจสอบการมีอยู่ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วในถัง
