Tsjerenkov-straling is een elektromagnetische reactie die optreedt wanneer geladen deeltjes door een transparant medium gaan met een snelheid die groter is dan dezelfde fase-index van licht in hetzelfde medium. De karakteristieke blauwe gloed van een kernreactor onder water is het gevolg van deze interactie.
Geschiedenis
De straling is vernoemd naar de Sovjetwetenschapper Pavel Cherenkov, Nobelprijswinnaar van 1958. Hij was het die het voor het eerst experimenteel ontdekte onder toezicht van een collega in 1934. Daarom is het ook bekend als het Vavilov-Cherenkov-effect.
Een wetenschapper zag tijdens experimenten een zwak blauwachtig licht rond een radioactief medicijn in water. Zijn proefschrift ging over de luminescentie van oplossingen van uraniumzouten, die werden geëxciteerd door gammastraling in plaats van het minder energetische zichtbare licht, zoals gewoonlijk wordt gedaan. Hij ontdekte anisotropie en concludeerde dat dit geen fluorescerend fenomeen was.
De theorie van Cherenkovstraling werd later ontwikkeld in het kader van Einsteins relativiteitstheorie door de collega's van de wetenschapper Igor Tamm en Ilya Frank. Ze ontvingen ook de Nobelprijs van 1958. De Frank-Tamm-formule beschrijft de hoeveelheid energie die wordt uitgestraald door uitgestraalde deeltjes per afgelegde lengte-eenheid per frequentie-eenheid. Het is de brekingsindex van het materiaal waar de lading doorheen gaat.
Tsjerenkov-straling als een kegelvormig golffront werd theoretisch voorspeld door de Engelse polyhistor Oliver Heaviside in artikelen die tussen 1888 en 1889 werden gepubliceerd, en door Arnold Sommerfeld in 1904. Maar beide werden snel vergeten na de beperking van de relativiteit van superdeeltjes tot de jaren zeventig. Marie Curie nam in 1910 lichtblauw licht waar in een sterk geconcentreerde oplossing van radium, maar ging niet in op details. In 1926 beschreven Franse radiotherapeuten onder leiding van Lucien de lichtgevende straling van radium, dat een continu spectrum heeft.
Fysieke oorsprong
Hoewel de elektrodynamica van mening is dat de lichtsnelheid in vacuüm een universele constante (C) is, kan de snelheid waarmee licht zich in een medium voortplant veel minder zijn dan C. De snelheid kan toenemen tijdens kernreacties en in deeltjesversnellers. Het is wetenschappers nu duidelijk dat Cherenkov-straling optreedt wanneer een geladen elektron door een optisch transparant medium gaat.
De gebruikelijke analogie is de sonische knal van een supersnel vliegtuig. Deze golven, opgewekt door reactieve lichamen,zich voortplanten met de snelheid van het signaal zelf. Deeltjes divergeren langzamer dan een bewegend object en kunnen er niet voor bewegen. In plaats daarvan vormen ze een impactfront. Evenzo kan een geladen deeltje een lichte schokgolf opwekken wanneer het door een medium gaat.
De te overschrijden snelheid is ook een fasesnelheid, geen groepssnelheid. De eerste kan drastisch worden veranderd door een periodiek medium te gebruiken, in welk geval men zelfs Cherenkov-straling kan verkrijgen zonder een minimale deeltjessnelheid. Dit fenomeen staat bekend als het Smith-Purcell-effect. In een complexer periodiek medium, zoals een fotonisch kristal, kunnen ook veel andere afwijkende reacties worden verkregen, zoals straling in de tegenovergestelde richting.
Wat gebeurt er in de reactor
In hun originele artikelen over de theoretische grondslagen schreven Tamm en Frank: "Tsjerenkov-straling is een eigenaardige reactie die blijkbaar niet kan worden verklaard door een algemeen mechanisme, zoals de interactie van een snel elektron met een enkel atoom of straling verstrooiing in kernen Aan de andere kant kan dit fenomeen zowel kwalitatief als kwantitatief worden verklaard, als we rekening houden met het feit dat een elektron dat in een medium beweegt licht uitzendt, zelfs als het uniform beweegt, op voorwaarde dat zijn snelheid groter is dan die van licht."
Er zijn echter enkele misvattingen over Cherenkov-straling. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het medium wordt gepolariseerd door het elektrische veld van het deeltje. Als de laatste langzaam beweegt, neigt de beweging terug naarmechanische balans. Wanneer het molecuul echter snel genoeg beweegt, zorgt de beperkte reactiesnelheid van het medium ervoor dat het evenwicht in zijn kielzog blijft en de daarin aanwezige energie wordt uitgestraald in de vorm van een coherente schokgolf.
Dergelijke concepten hebben geen analytische rechtvaardiging, aangezien elektromagnetische straling wordt uitgezonden wanneer geladen deeltjes in een homogeen medium bewegen met subluminale snelheden, die niet worden beschouwd als Cherenkov-straling.
Omgekeerd fenomeen
Het Cherenkov-effect kan worden verkregen met behulp van stoffen die metamaterialen worden genoemd met een negatieve index. Dat wil zeggen, met een subgolflengte-microstructuur, waardoor ze een effectieve "gemiddelde" eigenschap hebben die heel anders is dan de andere, in dit geval met een negatieve permittiviteit. Dit betekent dat wanneer een geladen deeltje door een medium gaat dat sneller is dan de fasesnelheid, het vanaf de voorkant straling uitzendt vanaf zijn passage erdoorheen.
Het is ook mogelijk om Cherenkov-straling te verkrijgen met een inverse kegel in niet-metamateriële periodieke media. Hier bevindt de structuur zich op dezelfde schaal als de golflengte, dus het kan niet worden beschouwd als een effectief homogeen metamateriaal.
Kenmerken
In tegenstelling tot fluorescentie- of emissiespectra, die karakteristieke pieken hebben, is Cherenkov-straling continu. Rond de zichtbare gloed is de relatieve intensiteit per frequentie-eenheid ongeveerevenredig met haar. Dat wil zeggen, hogere waarden zijn intenser.
Dit is de reden waarom zichtbare Cherenkov-straling helderblauw is. In feite zijn de meeste processen in het ultraviolette spectrum - alleen met voldoende versnelde ladingen wordt het zichtbaar. De gevoeligheid van het menselijk oog piekt in groen en is erg laag in het violette deel van het spectrum.
Kernreactoren
Tsjerenkov-straling wordt gebruikt om hoogenergetische geladen deeltjes te detecteren. In eenheden zoals kernreactoren komen bèta-elektronen vrij als splijtingsvervalproducten. De gloed gaat door nadat de kettingreactie is gestopt, en wordt gedimd naarmate stoffen met een kortere levensduur vervallen. Ook kan Cherenkov-straling de resterende radioactiviteit van verbruikte splijtstofelementen karakteriseren. Dit fenomeen wordt gebruikt om te controleren op de aanwezigheid van verbruikte splijtstof in tanks.
