إشعاع Cherenkov هو تفاعل كهرومغناطيسي يحدث عندما تمر الجسيمات المشحونة عبر وسط شفاف بسرعة أكبر من نفس مؤشر طور الضوء في نفس الوسط. يرجع التوهج الأزرق المميز لمفاعل نووي تحت الماء إلى هذا التفاعل.
التاريخ
تمت تسمية الإشعاع على اسم العالم السوفيتي بافيل شيرينكوف ، الحائز على جائزة نوبل عام 1958. كان هو أول من اكتشفها تجريبياً تحت إشراف زميل في عام 1934. لذلك ، يُعرف أيضًا باسم تأثير فافيلوف-شيرينكوف.
عالم رأى ضوءًا مزرقًا خافتًا حول عقار مشع في الماء أثناء التجارب. كانت أطروحة الدكتوراه الخاصة به حول تألق محاليل أملاح اليورانيوم ، التي تثيرها أشعة جاما بدلاً من الضوء المرئي الأقل نشاطًا ، كما هو معتاد. اكتشف تباين الخواص وخلص إلى أن هذا التأثير لم يكن ظاهرة فلورية.
نظرية شيرينكوفتم تطوير الإشعاع لاحقًا في إطار نظرية النسبية لأينشتاين من قبل زميلي العالم إيغور تام وإيليا فرانك. كما حصلوا على جائزة نوبل عام 1958. تصف صيغة فرانك تام مقدار الطاقة المنبعثة من الجسيمات المشعة لكل وحدة طول يتم نقلها لكل وحدة تردد. هو معامل الانكسار للمادة التي تمر من خلالها الشحنة.
إشعاع شيرينكوف كواجهة موجة مخروطية تم التنبؤ بها نظريًا من قبل الموسوعي الإنجليزي أوليفر هيفيسايد في أوراق نُشرت بين عامي 1888 و 1889 ، وبواسطة أرنولد سومرفيلد في عام 1904. ولكن سرعان ما نُسي كلاهما بعد الحد من نسبية الجسيمات الفائقة حتى سبعينيات القرن الماضي. لاحظت ماري كوري ضوءًا أزرق باهتًا في محلول عالي التركيز من الراديوم في عام 1910 ، لكنها لم تدخل في التفاصيل. في عام 1926 ، وصف أخصائيو العلاج الإشعاعي الفرنسيون بقيادة لوسيان الإشعاع المضيء للراديوم ، الذي له طيف مستمر.
الأصل المادي
على الرغم من أن الديناميكا الكهربية تعتبر أن سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت عالمي (C) ، فإن المعدل الذي ينتشر فيه الضوء في الوسط يمكن أن يكون أقل بكثير من C. ويمكن أن تزيد السرعة أثناء التفاعلات النووية وفي مسرعات الجسيمات. من الواضح الآن للعلماء أن إشعاع Cherenkov يحدث عندما يمر إلكترون مشحون عبر وسط شفاف بصريًا.
التشبيه المعتاد هو الدوي الصوتي لطائرة فائقة السرعة. هذه الموجات ، المتولدة من الأجسام التفاعلية ،ينتشر بسرعة الإشارة نفسها. تتباعد الجسيمات بشكل أبطأ من الجسم المتحرك ، ولا يمكنها التقدم أمامها. بدلا من ذلك ، يشكلون جبهة تأثير. وبالمثل ، يمكن للجسيم المشحون أن يولد موجة صدمة ضوئية عندما يمر عبر وسط ما.
أيضًا ، السرعة التي يجب تجاوزها هي سرعة طور ، وليست سرعة مجموعة. يمكن تغيير الأول بشكل كبير باستخدام وسيط دوري ، وفي هذه الحالة يمكن للمرء حتى الحصول على إشعاع Cherenkov دون الحد الأدنى من سرعة الجسيمات. تُعرف هذه الظاهرة باسم تأثير سميث بورسيل. في وسط دوري أكثر تعقيدًا ، مثل البلورة الضوئية ، يمكن أيضًا الحصول على العديد من التفاعلات الشاذة الأخرى ، مثل الإشعاع في الاتجاه المعاكس.
ماذا يحدث في المفاعل
في أوراقهم الأصلية حول الأسس النظرية ، كتب تام وفرانك: "إشعاع شيرينكوف هو تفاعل غريب لا يمكن تفسيره على ما يبدو بأي آلية عامة ، مثل تفاعل إلكترون سريع مع ذرة واحدة أو إشعاعي التشتت في النوى من ناحية أخرى ، يمكن تفسير هذه الظاهرة نوعيًا وكميًا ، إذا أخذنا في الاعتبار حقيقة أن إلكترونًا يتحرك في وسط ينبعث منه الضوء ، حتى لو كان يتحرك بشكل موحد ، بشرط أن تكون سرعته أكبر من سرعة ضوء."
ومع ذلك ، هناك بعض المفاهيم الخاطئة حول إشعاع Cherenkov. على سبيل المثال ، يعتبر أن الوسط يصبح مستقطبًا بواسطة المجال الكهربائي للجسيم. إذا تحرك الأخير ببطء ، فإن الحركة تميل إلى الوراءالتوازن الميكانيكي. ومع ذلك ، عندما يتحرك الجزيء بسرعة كافية ، فإن سرعة الاستجابة المحدودة للوسط تعني بقاء التوازن في أعقابه ، وتشع الطاقة الموجودة فيه على شكل موجة صدمة متماسكة.
مثل هذه المفاهيم ليس لها أي مبرر تحليلي ، حيث ينبعث الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما تتحرك الجسيمات المشحونة في وسط متجانس بسرعات سفلية ، والتي لا تعتبر إشعاع شيرينكوف.
ظاهرة عكسية
يمكن الحصول على تأثير Cherenkov باستخدام مواد تسمى metamaterials ذات مؤشر سلبي. وهذا هو ، مع البنية الدقيقة ذات الطول الموجي الفرعي ، والتي تمنحهم خاصية "متوسطة" فعالة تختلف تمامًا عن الآخرين ، وفي هذه الحالة يكون لها سماحية سلبية. هذا يعني أنه عندما يمر جسيم مشحون عبر وسيط أسرع من سرعة الطور ، فإنه سيصدر إشعاعًا من مروره عبره من الأمام.
من الممكن أيضًا الحصول على إشعاع Cherenkov بمخروط عكسي في وسائط دورية غير مادية. هنا ، الهيكل على نفس مقياس الطول الموجي ، لذلك لا يمكن اعتباره مادة metamaterial متجانسة بشكل فعال.
الميزات
على عكس الفلورة أو أطياف الانبعاث ، التي لها قمم مميزة ، فإن إشعاع Cherenkov مستمر. حول التوهج المرئي ، تكون الكثافة النسبية لكل وحدة تردد تقريبًايتناسب معها. أي أن القيم الأعلى تكون أكثر كثافة.
هذا هو السبب في أن إشعاع Cherenkov المرئي أزرق فاتح. في الواقع ، تقع معظم العمليات في الطيف فوق البنفسجي - فقط مع الشحنات المتسارعة بدرجة كافية تصبح مرئية. تبلغ حساسية العين البشرية ذروتها باللون الأخضر ومنخفضة جدًا في الجزء البنفسجي من الطيف.
المفاعلات النووية
يستخدم إشعاع Cherenkov للكشف عن الجسيمات المشحونة عالية الطاقة. في وحدات مثل المفاعلات النووية ، يتم إطلاق إلكترونات بيتا كمنتجات اضمحلال انشطاري. يستمر التوهج بعد توقف التفاعل المتسلسل ، ويختتم مع تحلل المواد ذات العمر الأقصر. أيضًا ، يمكن لإشعاع Cherenkov أن يميز النشاط الإشعاعي المتبقي لعناصر الوقود المستهلك. تستخدم هذه الظاهرة للتحقق من وجود الوقود النووي المستهلك في الخزانات.
