Bức xạ Cherenkov là phản ứng điện từ xảy ra khi các hạt mang điện đi qua một môi trường trong suốt với tốc độ lớn hơn tốc độ cùng pha của ánh sáng trong cùng một môi trường. Ánh sáng xanh lam đặc trưng của lò phản ứng hạt nhân dưới nước là do sự tương tác này.
Lịch sử
Bức xạ được đặt theo tên nhà khoa học Liên Xô Pavel Cherenkov, người đoạt giải Nobel năm 1958. Chính ông là người đầu tiên phát hiện ra nó bằng thực nghiệm dưới sự giám sát của một đồng nghiệp vào năm 1934. Do đó, nó còn được gọi là hiệu ứng Vavilov-Cherenkov.
Một nhà khoa học đã nhìn thấy ánh sáng xanh nhạt xung quanh một loại thuốc phóng xạ trong nước trong quá trình thí nghiệm. Luận án tiến sĩ của ông là về sự phát quang của các dung dịch muối uranium, được kích thích bởi tia gamma thay vì ánh sáng nhìn thấy ít năng lượng hơn, như thường thấy. Ông đã phát hiện ra hiện tượng dị hướng và kết luận rằng hiệu ứng này không phải là hiện tượng huỳnh quang.
lý thuyết của Cherenkovbức xạ sau đó được phát triển trong khuôn khổ thuyết tương đối của Einstein bởi các đồng nghiệp của nhà khoa học Igor Tamm và Ilya Frank. Họ cũng đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1958. Công thức Frank-Tamm mô tả lượng năng lượng do các hạt bức xạ phát ra trên một đơn vị chiều dài di chuyển trên một đơn vị tần số. Nó là chiết suất của vật liệu mà điện tích đi qua.
Bức xạCherenkov như một mặt sóng hình nón đã được tiên đoán về mặt lý thuyết bởi nhà đa học người Anh Oliver Heaviside trong các bài báo xuất bản từ năm 1888 đến năm 1889, và bởi Arnold Sommerfeld vào năm 1904. Nhưng cả hai đều nhanh chóng bị lãng quên sau giới hạn của thuyết tương đối siêu hạt cho đến những năm 1970. Marie Curie đã quan sát thấy ánh sáng xanh nhạt trong một dung dịch radium đậm đặc vào năm 1910, nhưng không đi sâu vào chi tiết. Năm 1926, các nhà xạ trị người Pháp do Lucien dẫn đầu đã mô tả bức xạ phát sáng của radium, có quang phổ liên tục.
Nguồn gốc vật lý
Mặc dù điện động lực học coi tốc độ ánh sáng trong chân không là hằng số phổ quát (C), tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường có thể nhỏ hơn nhiều C. Tốc độ có thể tăng trong phản ứng hạt nhân và trong máy gia tốc hạt. Các nhà khoa học hiện đã rõ rằng bức xạ Cherenkov xảy ra khi một điện tử tích điện đi qua một môi trường quang học trong suốt.
Sự tương tự thông thường là sự bùng nổ âm thanh của một chiếc máy bay siêu nhanh. Những sóng này, được tạo ra bởi các cơ quan phản ứng,lan truyền với tốc độ của chính tín hiệu. Các hạt phân kỳ chậm hơn một vật thể chuyển động, và không thể tiến trước nó. Thay vào đó, chúng tạo thành một mặt trận tác động. Tương tự, một hạt tích điện có thể tạo ra sóng xung kích ánh sáng khi nó đi qua một số môi trường.
Ngoài ra, tốc độ vượt quá là tốc độ pha, không phải tốc độ nhóm. Nguyên nhân có thể được thay đổi đáng kể bằng cách sử dụng môi trường tuần hoàn, trong trường hợp đó người ta thậm chí có thể thu được bức xạ Cherenkov mà không cần vận tốc hạt tối thiểu. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Smith-Purcell. Trong một môi trường tuần hoàn phức tạp hơn, chẳng hạn như tinh thể quang tử, cũng có thể thu được nhiều phản ứng dị thường khác, chẳng hạn như bức xạ theo hướng ngược lại.
Điều gì xảy ra trong lò phản ứng
Trong các bài báo ban đầu về cơ sở lý thuyết, Tamm và Frank đã viết: "Bức xạ Cherenkov là một phản ứng đặc biệt mà dường như không thể giải thích bằng bất kỳ cơ chế chung nào, chẳng hạn như tương tác của một electron nhanh với một nguyên tử hoặc bức xạ tán xạ thành hạt nhân Mặt khác, hiện tượng này có thể được giải thích cả về mặt định tính và định lượng, nếu chúng ta tính đến thực tế là một êlectron chuyển động trong môi trường phát ra ánh sáng, ngay cả khi nó chuyển động đều, với điều kiện là tốc độ của nó lớn hơn tốc độ của ánh sáng."
Tuy nhiên, có một số quan niệm sai lầm về bức xạ Cherenkov. Ví dụ, nó được coi là môi trường trở nên phân cực bởi điện trường của hạt. Nếu cái sau chuyển động chậm dần thì chuyển động đó có xu hướng trở lạicân bằng cơ học. Tuy nhiên, khi phân tử chuyển động đủ nhanh, tốc độ phản ứng hạn chế của môi trường có nghĩa là trạng thái cân bằng vẫn ở trạng thái thức và năng lượng chứa trong nó được bức xạ dưới dạng sóng xung kích kết hợp.
Những khái niệm như vậy không có lý do phân tích, vì bức xạ điện từ được phát ra khi các hạt mang điện chuyển động trong một môi trường đồng nhất với tốc độ thấp nhất, không được coi là bức xạ Cherenkov.
Hiện tượng ngược
Hiệu ứng Cherenkov có thể thu được bằng cách sử dụng các chất được gọi là siêu vật liệu có chỉ số âm. Đó là, với một cấu trúc vi mô bước sóng, mang lại cho chúng một đặc tính hiệu quả "trung bình" rất khác so với những cấu trúc khác, trong trường hợp này là có điện trở âm. Điều này có nghĩa là khi một hạt mang điện đi qua một môi trường nhanh hơn vận tốc pha, nó sẽ phát ra bức xạ từ phương thức truyền qua nó từ phía trước.
Cũng có thể thu được bức xạ Cherenkov với hình nón nghịch đảo trong môi trường tuần hoàn phi siêu vật liệu. Ở đây, cấu trúc có cùng tỷ lệ với bước sóng, vì vậy nó không thể được coi là một siêu vật liệu đồng nhất hiệu quả.
Tính năng
Không giống như quang phổ huỳnh quang hoặc phổ phát xạ, có các cực đại đặc trưng, bức xạ Cherenkov là liên tục. Xung quanh vầng sáng khả kiến, cường độ tương đối trên một đơn vị tần số xấp xỉtỷ lệ thuận với cô ấy. Nghĩa là, giá trị càng cao thì cường độ càng cao.
Đây là lý do tại sao bức xạ Cherenkov nhìn thấy có màu xanh lam sáng. Trên thực tế, hầu hết các quá trình đều nằm trong quang phổ tử ngoại - chỉ với các điện tích được gia tốc đủ thì nó mới có thể nhìn thấy được. Độ nhạy của mắt người đạt cực đại ở màu xanh lục và rất thấp ở phần màu tím của quang phổ.
Lò phản ứng hạt nhân
Bức xạCherenkov được sử dụng để phát hiện các hạt mang điện năng lượng cao. Trong các đơn vị như lò phản ứng hạt nhân, các điện tử beta được giải phóng dưới dạng sản phẩm phân rã phân hạch. Sự phát sáng tiếp tục sau khi phản ứng dây chuyền dừng lại, mờ đi khi các chất có tuổi thọ ngắn hơn bị phân hủy. Ngoài ra, bức xạ Cherenkov có thể đặc trưng cho độ phóng xạ còn lại của các nguyên tố nhiên liệu đã qua sử dụng. Hiện tượng này được sử dụng để kiểm tra sự hiện diện của nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng trong các thùng chứa.
