Bức xạ Cherenkov – Wikipedia

Bức xạ Cherenkov (phát âm: / tʃɛrɛnˈkɔv /) là một bức xạ điện từ phát ra khi một hạt tích điện (như electron) đi qua môi trường điện môi với tốc độ lớn hơn tốc độ pha của ánh sáng trong môi trường đó. Ánh sáng xanh đặc trưng của lò phản ứng hạt nhân dưới nước là do bức xạ Cherenkov.

Lịch sử [ chỉnh sửa ]

Bức xạ được đặt theo tên của nhà khoa học Liên Xô Pavel Cherenkov, người đoạt giải Nobel năm 1958, là người đầu tiên phát hiện ra nó dưới sự giám sát của Serge Vavilov tại Viện Lebedev vào năm 1934. Do đó, nó còn được gọi là Bức xạ VavilovTHER Cherenkov . [1] Cherenkov nhìn thấy một ánh sáng mờ nhạt xung quanh một chế phẩm phóng xạ trong nước trong các thí nghiệm. Luận án tiến sĩ của ông là về sự phát quang của các dung dịch muối urani bị kích thích bởi tia gamma thay vì ánh sáng nhìn thấy ít năng lượng hơn, như thường được thực hiện. Ông đã phát hiện ra tính dị hướng của bức xạ và đi đến kết luận rằng ánh sáng xanh không phải là hiện tượng huỳnh quang.

Một lý thuyết về hiệu ứng này sau đó đã được phát triển vào năm 1937 trong khuôn khổ lý thuyết tương đối đặc biệt của Einstein bởi các đồng nghiệp của Cherenkov, ông Igor Tamm và Ilya Frank, người cũng đã chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1958. . của các hạt siêu c cho đến những năm 1970. Marie Curie quan sát thấy một ánh sáng màu xanh nhạt trong dung dịch radium đậm đặc vào năm 1910, nhưng không buồn nhìn vào chi tiết. Năm 1926, các nhà xạ trị học người Pháp Lucien Mallet đã mô tả bức xạ phát sáng của nước chiếu xạ radium có quang phổ liên tục. [4]

Nguồn gốc vật lý [ chỉnh sửa ]

Cơ bản ]

Trong khi điện động lực học cho rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là một hằng số phổ quát ( c ), tốc độ ánh sáng truyền trong vật liệu có thể là đáng kể ít hơn c . Ví dụ, tốc độ truyền ánh sáng trong nước chỉ là 0,75 c . Vật chất có thể được tăng tốc vượt quá tốc độ này (mặc dù vẫn thấp hơn c ) trong các phản ứng hạt nhân và trong máy gia tốc hạt. Bức xạ Cherenkov có kết quả khi một hạt tích điện, phổ biến nhất là electron, truyền qua môi trường điện môi (phân cực điện) với tốc độ lớn hơn tốc độ truyền ánh sáng trong cùng một môi trường.

Hoạt hình của bức xạ Cherenkov

Một sự tương tự phổ biến là sự bùng nổ âm thanh của một chiếc máy bay siêu thanh. Các sóng âm thanh được tạo ra bởi cơ thể siêu âm lan truyền với tốc độ của chính âm thanh; như vậy, sóng truyền chậm hơn vật tăng tốc và không thể truyền về phía trước từ cơ thể, thay vào đó tạo thành một mặt trận sốc. Theo cách tương tự, một hạt tích điện có thể tạo ra sóng xung kích nhẹ khi nó truyền qua một chất cách điện.

Hơn nữa, vận tốc phải vượt quá là vận tốc pha của ánh sáng chứ không phải là vận tốc nhóm ánh sáng. Vận tốc pha có thể được thay đổi đáng kể bằng cách sử dụng môi trường định kỳ, và trong trường hợp đó, người ta thậm chí có thể đạt được bức xạ Cherenkov với không vận tốc hạt tối thiểu, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Smith Muff Purcell. Trong một môi trường tuần hoàn phức tạp hơn, chẳng hạn như tinh thể quang tử, người ta cũng có thể thu được nhiều hiệu ứng Cherenkov dị thường khác, chẳng hạn như bức xạ theo hướng ngược (xem bên dưới) trong khi bức xạ Cherenkov bình thường tạo thành một góc nhọn với vận tốc của hạt. [19659018] Trong công trình ban đầu của họ về nền tảng lý thuyết của bức xạ Cherenkov, Tamm và Frank đã viết, "Bức xạ kỳ dị này rõ ràng không thể được giải thích bằng bất kỳ cơ chế phổ biến nào như sự tương tác của electron nhanh với từng nguyên tử hoặc khi tán xạ electron. Mặt khác, hạt nhân nguyên tử có thể được giải thích cả về mặt định tính và định lượng nếu người ta tính đến thực tế là một electron di chuyển trong môi trường phát ra ánh sáng ngay cả khi nó chuyển động đều với điều kiện là vận tốc của nó lớn hơn so với vận tốc ánh sáng trong môi trường. ". [6] Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số quan niệm sai lầm về bức xạ Cherenkov: ví dụ, người ta tin rằng môi trường bị phân cực điện bởi điện trường của hạt. Nếu hạt di chuyển chậm thì nhiễu loạn đàn hồi. Tuy nhiên, khi thư giãn trở lại trạng thái cân bằng cơ học, khi hạt đi qua đủ nhanh, tốc độ phản ứng hạn chế của môi trường có nghĩa là sự xáo trộn bị bỏ lại sau khi hạt và năng lượng chứa trong nhiễu loạn này tỏa ra như một sóng xung kích kết hợp. Những quan niệm như vậy không có bất kỳ nền tảng phân tích nào, vì bức xạ điện từ được phát ra khi các hạt tích điện di chuyển trong môi trường điện môi với vận tốc cận âm không được coi là bức xạ Cherenkov.

Góc phát xạ Cherenkov [ chỉnh sửa ]

Hình học của bức xạ Cherenkov được hiển thị cho trường hợp lý tưởng không có sự tán sắc.

Trong hình trên hình học, hạt (màu đỏ mũi tên) di chuyển trong một phương tiện với tốc độ

v p { displaystyle v _ { text {p}}}

sao cho

trong đó

c { displaystyle c}

tốc độ ánh sáng trong chân không và

n { displaystyle n}

là chỉ số khúc xạ của phương tiện . Nếu phương tiện là nước, điều kiện là

<img src = "https: // wikidia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3bfe41dd8e02eecca4b2428f7da0cf0f1b623872" class = "mwe-math-fallback" "style =" vertical-align: -1.005ex; chiều rộng: 14,619ex; chiều cao: 2,843ex; "alt =" 0,75c <v _ { text {p}} kể từ

n = [19659063] 1.33 { displaystyle n = 1.33}

cho nước ở 20 ° C.

Chúng tôi xác định tỷ lệ giữa tốc độ của hạt và tốc độ ánh sáng là

Sóng ánh sáng phát ra ở tốc độ

Góc trái của tam giác thể hiện vị trí của hạt siêu nhỏ tại một thời điểm ban đầu ( t = 0). Góc phải của tam giác là vị trí của hạt tại một thời điểm sau đó t. Trong thời gian nhất định t hạt di chuyển quãng đường