Promieniowanie Czerenkowa - Polski Serwis Naukowy

Rdzeń reaktora jądrowego Advanced Test Reactor. Niebieskie światło to efekt promieniowania Czerenkowa.

Promieniowanie Czerenkowa – promieniowanie elektromagnetyczne emitowane, gdy naładowana cząstka (np elektron) porusza się w ośrodku materialnym z prędkością większą od prędkości fazowej światła w tym ośrodku. Fala elektromagnetyczna jest emitowana tylko w ściśle określonym kierunku leżącym pod kątem ostrym do kierunku ruchu cząstki. Nazwa tego typu promieniowania pochodzi od nazwiska rosyjskiego fizyka Pawła A. Czerenkowa, który opisał to zjawisko fizyczne.

Substancja to materia składająca się z obiektów (cząstek, atomów) posiadających masę spoczynkową. Substancją nie jest zatem np. fala lub pole fizyczne (grawitacyjne, elektryczne). Substancja może być jednorodna w sensie chemicznym (np. związek chemiczny) i fizycznym (ośrodek ciągły) albo może być niejednorodna (mieszanina, granulat). Jej skład może być ustalony lub zmienny.

Fala uderzeniowa – cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu, rozchodząca się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu, ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (np. samolot).

Popularną analogią jest przyrównanie tego zjawiska do uderzenia dźwiękowego (fali uderzeniowej), wywołanego przez ciało poruszające się z prędkością ponaddźwiękową.

Promieniowanie Czerenkowa można zaobserwować w reaktorach jądrowych. W wyniku reakcji zachodzących w reaktorze powstają wysokoenergetyczne, przenikliwe cząstki, które dostając się do wody będącej chłodziwem reaktora powodują powstawanie promieniowania Czerenkowa. W rezultacie woda dookoła rdzenia świeci na niebiesko. W Polsce można to zjawisko obserwować w reaktorze Maria w podwarszawskim Świerku.

Astrofizyka jest dziedziną leżącą na pograniczu fizyki i astronomii, zajmującą się badaniem procesów fizycznych w skali astronomicznej oraz budową i prawami rządzącymi obiektami astronomicznymi. Tematem badań astrofizyki są procesy fizyczne we Wszechświecie takich obiektów jak gwiazdy, galaktyki, materia międzygwiezdna oraz ich wzajemne oddziaływanie.

Paweł Aleksjejewicz Czerenkow (ros. Павел Алексеевич Черенков, ur. 28 lipca 1904 w miejscowości Nowa Czigła koło Woroneża, zm. 6 stycznia 1990 w Moskwie) – fizyk rosyjski.

Historia

Czerenkow odkrył efekt świecenia szybko poruszających się cząstek naładowanych w materii w 1934 roku, pracując w laboratorium pod kierownictwem Wawiłowa. Dlatego w Rosji promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem Czerenkowa-Wawiłowa. Trzy lata później Tamm i Frank wyjaśnili naturę tego promieniowania. Za odkrycie i wyjaśnienie tego efektu Czerenkow, Tamm i Frank otrzymali w roku 1958 nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Ilja Michaiłowicz Frank (ros. Илья Михайлович Франк, ur. 23 października 1908 w Leningradzie, zm. 22 czerwca 1990 w Moskwie) – rosyjski fizyk, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1958 (wspólnie z Pawłem Czerenkowem i Igorem Tammem) za wkład w wyjaśnienie promieniowania Czerenkowa.

Igor Jewgeniewicz Tamm (ros. И́горь Евге́ньевич Та́мм, ur. 8 lipca 1895 we Władywostoku, zm. 12 kwietnia 1971 w Moskwie) - rosyjski fizyk teoretyk, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1958 za odkrycie i interpretację promieniowania Czerenkowa.

Ale to nie jemu należy się palma pierwszeństwa. Efekt ten został przewidziany w 1888 roku przez Olivera Heaviside'a.

Powstawanie promieniowania Czerenkowa

Cząstka porusza się w prawo emitując w każdym momencie falę kulistą

Gdy w dielektrycznym ośrodku porusza się cząstka mająca ładunek elektryczny, polaryzuje ona atomy znajdujące się blisko swojego toru poruszania się. Po jej przelocie powracają one do poprzednich stanów, wyświecając przy okazji kwant energii. Przy niskich prędkościach poruszania się cząstki, spolaryzowane atomy układają się symetrycznie względem niej i ich wypadkowe pole elektromagnetyczne się wygaszają.

Zjawisko fizyczne – przemiana, na skutek której zmieniają się tylko właściwości fizyczne ciała lub obiektu fizycznego, natomiast właściwości chemiczne pozostają bez zmian. Definicja używana przez chemików.

Dźwięk – wrażenie słuchowe spowodowane falą akustyczną rozchodzącą się w ośrodku sprężystym (ciele stałym, płynie, gazie). Częstotliwości fal, które są słyszalne dla człowieka, zawarte są w paśmie między wartościami granicznymi od ok. 16-20 Hz do ok. 16-20 kHz.

Warunkiem powstania promieniowania Czerenkowa jest odpowiednia prędkość naładowanej cząstki. Musi być ona większa od prędkości fazowej światła w substancji, w której cząstka się porusza. Warunek ten wyraża wzór $v>v_f = \frac {c}{n}$ gdzie n – współczynnik załamania światła substancji, c – prędkość światła w próżni.

Wówczas czoła fal emitowanych w poszczególnych momentach kolejno w punktach 0, 1, ..., 5 (zobacz Rys. 1 – czarne okręgi) równocześnie dochodzą do powierzchni stożkowej (niebieska linia, wierzchołek stożka w p. 5). W czasie t cząstka pokonuje odległość od punktu 0 do punktu 5. Droga ta jest równa

Cząstka – bardzo mała ilość (pyłek, okruch) lub stosunkowo niewielka część większej całości (Galaktyka jest cząstką kosmosu). W naukach przyrodniczych (fizyka, chemia) cząstka oznacza mały fragment materii (np. cząstka kurzu), który ma zwarty kształt, w odróżnieniu od nici czy włókna.

Reaktor jądrowy – urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki (rok 2011) są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia jąder atomowych. Reakcje te mają charakter łańcuchowy - produkty reakcji (w tym głównie neutrony) mogą zainicjować kilka następnych. Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony. Szybkość reakcji kontrolowana jest m.in. przez zmianę wzajemnego położenia lub proporcji tych składników, a także przez wprowadzanie dodatkowych substancji pochłaniających lub spowalniających neutrony, zawartych w tzw. prętach regulacyjnych (służących do normalnej regulacji parametrów reakcji) oraz prętach bezpieczeństwa (stosowanych do awaryjnego wyłączania reaktora). Substancjami używanymi do pochłaniania neutronów termicznych są m.in. bor i kadm, natomiast jako moderatorów używa się m.in. berylu, grafitu, a także wody, pełniącej równocześnie rolę chłodziwa.

$vt\,$

W tym samym czasie światło wysłane przez cząstkę w punkcie 0 pokonuje odległość do powierzchni stożkowej równą $v_f t\,$

Z rysunku można odczytać $\operatorname {sin} \alpha = \frac {v_f t}{vt}=\frac {v_f}{v}=\frac {c}{nv}\,$

Na skutek interferencji promieniowanie rozchodzi się dalej tylko w kierunku prostopadłym do powierzchni stożkowej (zobacz animację). Kierunek rozchodzenia się promieniowania tworzy z kierunkiem ruchu cząstki kąt θ, który można wyznaczyć z zależności $\theta = \frac {\pi}{2}- \alpha$

skąd, wykorzystując wzór na sinα, można zapisać

Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

Fizyka cząstek elementarnych, fizyka wielkich energii, dział fizyki, którego celem jest badanie cząstek atomowych oraz oddziaływań zachodzących między nimi.

$\operatorname{cos} \theta =\frac {c}{nv}\,$

Zastosowanie

Teleskop MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes)

W fizyce cząstek elementarnych promieniowanie Czerenkowa ma zastosowanie w licznikach, służących do detekcji i precyzyjnego wyznaczania prędkości wysokoenergetycznych, naładowanych cząstek.

Atmosfera – gazowa powłoka otaczająca planetę o masie wystarczającej do utrzymywania wokół siebie warstwy gazów, w wyniku działania grawitacji. Ta definicja stosuje się do planet skalistych i księżyców. W przypadku gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz oraz gwiazd (por. atmosfera słoneczna) terminem atmosfery określa się tylko zewnętrzne (przezroczyste) warstwy gazowej powłoki, z których promieniowanie dociera bezpośrednio do obserwatora.

Ziemia (łac. Terra) − trzecia licząc od Słońca, a piąta co do wielkości planeta Układu Słonecznego. Pod względem średnicy, masy i gęstości jest to największa planeta skalista Układu.

Promieniowanie Czerenkowa jest także wykorzystywane w astrofizyce wysokich energii do detekcji wysokoenergetycznych kwantów gamma. Używa się w tym celu teleskopów optycznych rejestrujących promieniowanie Czerenkowa wywołane przez cząstki wytwarzane przez promieniowanie kosmiczne w wyniku oddziaływaniem kwantów gamma promieniowania kosmicznego z atmosferą Ziemi. Metoda ta, jako jedyna, pozwala na obserwacje kosmicznych źródeł promieniowania gamma z powierzchni Ziemi.

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Oliver Heaviside (ur. 18 maja 1850 w Londynie - zm. 3 lutego 1925 w Homefield koło Torquay) angielski matematyk, fizyk i elektrotechnik. Geniusz i samouk. Jeden z wielkich pionierów elektrotechniki.

Linki zewnętrzne

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Promieniowanie Czerenkowa

Promieniowanie Czerenkowa