تابش چرنکوف یک واکنش الکترومغناطیسی است که زمانی رخ می دهد که ذرات باردار از یک محیط شفاف با سرعتی بیشتر از همان شاخص فاز نور در همان محیط عبور کنند. درخشش آبی مشخصه یک راکتور هسته ای زیر آب به دلیل این تعامل است.
تاریخ
این تشعشع به نام دانشمند شوروی پاول چرنکوف، برنده جایزه نوبل 1958 نامگذاری شده است. او بود که برای اولین بار آن را تحت نظارت یکی از همکارانش در سال 1934 کشف کرد. بنابراین، آن را به عنوان اثر واویلف-چرنکوف نیز می‌شناسند.
یک دانشمند در طول آزمایشات، نور آبی کمرنگی را در اطراف یک داروی رادیواکتیو در آب دید. پایان نامه دکترای او در مورد درخشندگی محلول های نمک های اورانیوم بود که به جای نور مرئی کمتر پرانرژی، همانطور که معمولا انجام می شود، توسط پرتوهای گاما برانگیخته می شد. او ناهمسانگردی را کشف کرد و نتیجه گرفت که این اثر یک پدیده فلورسنت نیست.
نظریه چرنکوفتابش بعدها در چارچوب نظریه نسبیت اینشتین توسط همکاران دانشمند ایگور تام و ایلیا فرانک توسعه یافت. آنها همچنین جایزه نوبل 1958 را دریافت کردند. فرمول فرانک تام مقدار انرژی ساطع شده توسط ذرات تابش شده را در واحد طول طی شده در واحد فرکانس توصیف می کند. این ضریب شکست ماده ای است که بار از آن عبور می کند.
تشعشعات چرنکوف به عنوان یک جبهه موج مخروطی از نظر تئوری توسط الیور هیوساید انگلیسی در مقالاتی که بین سال‌های ۱۸۸۸ و ۱۸۸۹ منتشر شد و توسط آرنولد سامرفلد در سال ۱۹۰۴ پیش‌بینی شد. ماری کوری نور آبی کم رنگ را در محلول بسیار غلیظ رادیوم در سال 1910 مشاهده کرد، اما وارد جزئیات نشد. در سال 1926، رادیوتراپیست های فرانسوی به رهبری لوسین تشعشع درخشان رادیوم را که دارای طیف پیوسته است، توصیف کردند.
منشا فیزیکی
اگرچه الکترودینامیک معتقد است که سرعت نور در خلاء یک ثابت جهانی (C) است، اما سرعت انتشار نور در یک محیط می تواند بسیار کمتر از C باشد. سرعت می تواند در طی واکنش های هسته ای و در شتاب دهنده های ذرات افزایش یابد.. اکنون برای دانشمندان واضح است که تابش چرنکوف زمانی رخ می دهد که یک الکترون باردار از یک محیط شفاف نوری عبور کند.
قیاس معمولی، بوم صوتی یک هواپیمای فوق سریع است. این امواج که توسط اجسام واکنشی ایجاد می شوند،با سرعت خود سیگنال منتشر می شود. ذرات کندتر از یک جسم متحرک واگرا می شوند و نمی توانند جلوتر از آن حرکت کنند. در عوض، آنها یک جبهه ضربه را تشکیل می دهند. به طور مشابه، یک ذره باردار می‌تواند یک موج ضربه‌ای نور ایجاد کند که از یک محیط عبور کند.
همچنین، سرعتی که باید از آن فراتر رفت، یک سرعت فاز است، نه یک سرعت گروهی. اولی را می توان با استفاده از یک محیط تناوبی به شدت تغییر داد، در این صورت حتی می توان تابش چرنکوف را بدون حداقل سرعت ذره به دست آورد. این پدیده به اثر اسمیت-پورسل معروف است. در یک محیط تناوبی پیچیده تر، مانند کریستال فوتونیک، بسیاری از واکنش های غیرعادی دیگر نیز می توانند به دست آیند، مانند تابش در جهت مخالف.
چه اتفاقی در راکتور می افتد
در مقالات اصلی خود در مورد مبانی نظری، تام و فرانک نوشتند: "تابش چرنکوف یک واکنش عجیب است که ظاهراً با هیچ مکانیسم کلی نمی توان توضیح داد، مانند برهم کنش یک الکترون سریع با یک اتم یا تشعشع. پراکندگی در هسته ها از سوی دیگر، این پدیده را می توان هم از نظر کیفی و هم از نظر کمی توضیح داد، اگر این واقعیت را در نظر بگیریم که الکترونی که در یک محیط حرکت می کند، نور ساطع می کند، حتی اگر به طور یکنواخت حرکت کند، مشروط بر اینکه سرعت آن از سرعت آن بیشتر باشد. نور."
با این حال، برخی تصورات غلط در مورد تشعشعات چرنکوف وجود دارد. به عنوان مثال، در نظر گرفته می شود که محیط توسط میدان الکتریکی ذره قطبی می شود. اگر دومی به آرامی حرکت کند، آنگاه حرکت به سمت برگشت گرایش پیدا می کندتعادل مکانیکی با این حال، هنگامی که مولکول به اندازه کافی سریع حرکت می کند، سرعت پاسخ محدود محیط به این معنی است که تعادل در پی آن باقی می ماند و انرژی موجود در آن به شکل یک موج ضربه ای منسجم تابش می شود.
چنین مفاهیمی هیچ توجیه تحلیلی ندارند، زیرا تابش الکترومغناطیسی زمانی ساطع می شود که ذرات باردار در یک محیط همگن با سرعت های زیر نوری حرکت کنند، که به عنوان تابش چرنکوف در نظر گرفته نمی شود.
پدیده معکوس
اثر چرنکوف را می توان با استفاده از موادی به نام فرامواد با شاخص منفی به دست آورد. یعنی با یک ریزساختار زیر موج، که به آنها خاصیت "متوسط" موثری می دهد که بسیار متفاوت از بقیه است، در این مورد دارای گذردهی منفی است. این بدان معنی است که وقتی یک ذره باردار از محیطی سریعتر از سرعت فاز عبور می کند، تابش از عبور از آن از جلو ساطع می کند.
همچنین می توان تابش چرنکوف را با مخروط معکوس در محیط های تناوبی غیر فراماده به دست آورد. در اینجا، ساختار در همان مقیاس طول موج است، بنابراین نمی توان آن را یک فراماده به طور موثر همگن در نظر گرفت.
ویژگی ها
برخلاف طیف های فلورسانس یا گسیل که دارای پیک های مشخصه هستند، تابش چرنکوف پیوسته است. در اطراف درخشش مرئی، شدت نسبی در واحد فرکانس تقریباً استمتناسب با او یعنی مقادیر بالاتر شدیدتر هستند.
به همین دلیل است که تابش مرئی چرنکوف آبی روشن است. در واقع، بیشتر فرآیندها در طیف فرابنفش هستند - فقط با بارهای شتاب کافی قابل مشاهده است. حساسیت چشم انسان به رنگ سبز به اوج می رسد و در قسمت بنفش طیف بسیار کم است.
راکتورهای هسته ای
تشعشعات چرنکوف برای شناسایی ذرات باردار با انرژی بالا استفاده می شود. در واحدهایی مانند راکتورهای هسته‌ای، الکترون‌های بتا به عنوان محصولات فروپاشی شکافت آزاد می‌شوند. درخشش پس از توقف واکنش زنجیره ای ادامه می یابد و با پوسیدگی مواد با عمر کوتاه تر، کم رنگ می شود. همچنین، تابش چرنکوف می تواند رادیواکتیویته باقی مانده عناصر سوخت مصرف شده را مشخص کند. این پدیده برای بررسی وجود سوخت هسته ای مصرف شده در مخازن استفاده می شود.
