Čerenkovovo žiarenie

Geometria Čerenkovovho žiarenia:
→ vektor pohybu častice
→ vektor pohybu fotónov
$\beta ={\frac {v}{c}}$
$cos\,\theta ={\frac {1}{n\beta }}$

Čerenkovovo žiarenie je elektromagnetické žiarenie vznikajúce pri prechode nabitej častice (ako napríklad elektrón) izolačným prostredím rýchlosťou väčšou ako je rýchlosť svetla v tomto prostredí. Charakteristická modrá žiara jadrových reaktorov je spôsobená Čerenkovovým žiarením. Je pomenované podľa ruského vedca Pavla Alexejeviča Čerenkovova, nositeľa Nobelovej ceny za fyziku (1958), ktorý ho v roku 1934 dôkladne charakterizoval ako prvý.

Fyzikálny pôvod

Zatiaľ čo podľa relativity je rýchlosť svetla vo vákuu univerzálnou konštantou (c), rýchlosť ktorou sa svetlo šíri v látke môže byť významne menšia než c. Napríklad rýchlosť šírenia sa svetla vo vode je len 0,75c. Hmota môže byť urýchlená nad túto rýchlosť počas jadrových reakcií alebo urýchlením v časticových urýchľovačoch. Čerenkovovo žiarenie vzniká, keď nabitá častica (najčastejšie elektrón) prechádza dielektrickým (elektricky izolačným) prostredím rýchlosťou väčšou ako je tá, ktorou sa v tom istom prostredí šíri svetlo.

Nabitá častica prechádzajúca prostredím narúša lokálne elektromagnetické pole (EM) tohoto prostredia. Elektróny v atómoch prostredia budú dislokované a polarizované prechádzajúcim EM poľom nabitej častice. Po roztrhnutí elektróny izolantu opäť obnovia rovnováhu, čo je sprevádzané vyžiarením fotónov. (Vo vodiči môže byť narušenie EM poľa obnovené bez vyžiarenia fotónu.) Za normálnych okolností tieto fotóny vzájomne deštruktívne interferujú a nie je detegované žiadne svetlo. Avšak ak sa prostredím šíri narušenie poľa rýchlejšie než svetlo, fotóny interferujú konštruktívne a zosilňujú pozorované žiarenie.

Je dôležité poznamenať, že rýchlosť akou sa šíria fotóny, je stále rovnaká. To znamená, že rýchlosť svetla, bežne označovaná ako c, sa nemení. Zdanie, že sa svetlo pri prechode látkovým prostredím pohybuje pomalšie je spôsobené častými zrážkami fotónov s látkou.

Bežnou analógiou je aerodynamický tresk nadzvukového lietadla alebo strely. Zvukové vlny vytvárané objektom pohybujúcim sa nadzvukovou rýchlosťou sa nepohybujú dostatočne rýchlo na to, aby sa vzdialili od samotného objektu. Vlny sa teda „nakopia“ a vytvoria rázovú vlnu.

Podobným spôsobom môže nabitá častica prechádzajúca látkovým prostredím vytvoriť svetelnú rázovú vlnu.

Na obrázku prechádza častica (červená šípka) látkovým prostredím s rýchlosťou $v_{c}$ . Pomer medzi rýchlosťou častice a rýchlosťou svetla zadefinujeme ako $\beta =v_{c}/c$ , kde $c$ je rýchlosť svetla. n je indexom lomu prostredia a teda vyžiarené svetelné vlny (modré šípky) sa pohybujú rýchlosťou : $v_{em}=c/n$ .

Ľavý vrchol trojuholníka predstavuje polohu častice v určitom počiatočnom časovom momente (t = 0). Pravý vrchol trojuholníka je polohou častice v neskoršom čase t. Za tento čas t, prejde častica vzdialenosť

x_{c}=v_{c}t=\beta \,ct

Graf závislosti uhlu $\theta$ Čerenkovovho žiarenia od indexu lomu prostredia a rýchlosti nabitej častice, ktorá ním prechádza. $\theta =\operatorname {arcsec} n\beta$

zatiaľ čo vyžiarené EM vlny prejdú vzdialenosť

x_{em}=v_{em}t={\frac {c}{n}}t

teda:

\cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}\qquad \Rightarrow \qquad \theta =\arccos {\frac {1}{n\beta }}=\operatorname {arcsec} n\beta

Keďže je tento pomer nezávislý od času, je možné použiť ľubovoľné časy a vytvoriť podobné trojuholníky. Uhol zostáva rovnaký, čo znamená že vlny vytvorené medzi počiatočným časom t = 0 a konečným časom t budú vytvárať podobné trojuholníky so splývajúcimi pravými rohmi.

Vlastnosti

Celková intenzita Čerenkovovho žiarenia je úmerná rýchlosti nabitej častice ktorá ho vyvolala a počtu takýchto častíc. Na rozdiel od fluorescenčného alebo emisného spektra, ktoré majú v spektre charakteristické vrcholy, je Čerenkovovo žiarenie spojité. V okolí vlnových dĺžok viditeľného svetla je relatívna intenzita vyžarovania približne úmerná frekvencii. To znamená, že vyššie frekvencie (kratšie vlnové dĺžky) sú v Čerenkovovom žiarení intenzívnejšie. To je dôvod toho, prečo viditeľné Čerenkovovo žiarenie pozorujeme v modrej farbe. V skutočnosti je väčšia časť Čerenkovovho žiarenia v ultrafialovej časti spektra – len pri dostatočne urýchlených nabitých časticiach sa jeho časť stáva viditeľnou; citlivosť ľudského oka vrcholí pri zelenej farbe, a je veľmi nízka vo fialovej časti spektra.

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Čerenkovovo žiarenie