Cherenkov-Strahlung ist eine elektromagnetische Reaktion, die auftritt, wenn geladene Teilchen ein transparentes Medium mit einer Geschwindigkeit passieren, die größer ist als der gleiche Phasenindex des Lichts im selben Medium. Das charakteristische blaue Leuchten eines Unterwasser-Kernreaktors ist auf diese Wechselwirkung zurückzuführen.
Geschichte
Die Strahlung ist nach dem sowjetischen Wissenschaftler Pavel Cherenkov, Nobelpreisträger von 1958, benannt. Er war es, der es 1934 unter Anleitung eines Kollegen erstmals experimentell entdeckte. Daher ist er auch als Vavilov-Cherenkov-Effekt bekannt.
Ein Wissenschaftler sah bei Experimenten ein schwaches bläuliches Licht um ein radioaktives Medikament in Wasser. Seine Doktorarbeit befasste sich mit der Lumineszenz von Lösungen von Uransalzen, die mit Gammastrahlen angeregt wurden, statt wie üblich mit dem energieärmeren sichtbaren Licht. Er entdeckte die Anisotropie und kam zu dem Schluss, dass dieser Effekt kein fluoreszierendes Phänomen war.
Cherenkovs TheorieStrahlung wurde später im Rahmen von Einsteins Relativitätstheorie von den Wissenschaftlerkollegen Igor Tamm und Ilya Frank entwickelt. Sie erhielten auch den Nobelpreis von 1958. Die Frank-Tamm-Formel beschreibt die Energiemenge, die von abgestrahlten Teilchen pro zurückgelegter Längeneinheit pro Frequenzeinheit abgegeben wird. Es ist der Brechungsindex des Materials, durch das die Ladung geht.
Cherenkov-Strahlung als konische Wellenfront wurde theoretisch vom englischen Universalgelehrten Oliver Heaviside in Veröffentlichungen zwischen 1888 und 1889 und von Arnold Sommerfeld im Jahr 1904 vorhergesagt. Aber beide gerieten nach der Einschränkung der Superteilchen-Relativität bis in die 1970er Jahre schnell in Vergessenheit. Marie Curie beobachtete 1910 hellblaues Licht in einer hochkonzentrierten Radiumlösung, ging aber nicht ins Detail. 1926 beschrieben französische Strahlentherapeuten unter der Leitung von Lucien die Lichtstrahlung von Radium, die ein kontinuierliches Spektrum hat.
Physischer Ursprung
Obwohl die Elektrodynamik davon ausgeht, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine universelle Konstante (C) ist, kann die Geschwindigkeit, mit der sich Licht in einem Medium ausbreitet, viel geringer sein als C. Die Geschwindigkeit kann während Kernreaktionen und in Teilchenbeschleunigern zunehmen. Wissenschaftlern ist nun klar, dass Tscherenkow-Strahlung auftritt, wenn ein geladenes Elektron ein optisch transparentes Medium passiert.
Die übliche Analogie ist der Überschallknall eines superschnellen Flugzeugs. Diese von reaktiven Körpern erzeugten Wellensich mit der Geschwindigkeit des Signals selbst ausbreiten. Partikel divergieren langsamer als ein sich bewegendes Objekt und können ihm nicht vorauseilen. Stattdessen bilden sie eine Stoßfront. In ähnlicher Weise kann ein geladenes Teilchen eine leichte Stoßwelle erzeugen, wenn es ein Medium durchdringt.
Außerdem ist die zu überschreitende Geschwindigkeit eine Phasengeschwindigkeit, keine Gruppengeschwindigkeit. Ersteres lässt sich durch die Verwendung eines periodischen Mediums drastisch verändern, wobei man sogar Tscherenkow-Strahlung ohne minimale Teilchengeschwindigkeit erh alten kann. Dieses Phänomen ist als Smith-Purcell-Effekt bekannt. In einem komplexeren periodischen Medium, wie etwa einem photonischen Kristall, können auch viele andere anomale Reaktionen erh alten werden, wie etwa Strahlung in die entgegengesetzte Richtung.
Was passiert im Reaktor
In ihren Originalarbeiten zu den theoretischen Grundlagen schrieben Tamm und Frank: „Cherenkov-Strahlung ist eine eigentümliche Reaktion, die anscheinend nicht durch einen allgemeinen Mechanismus erklärt werden kann, wie etwa die Wechselwirkung eines schnellen Elektrons mit einem einzelnen Atom oder Strahlung Streuung in Kerne Andererseits lässt sich dieses Phänomen sowohl qualitativ als auch quantitativ erklären, wenn man berücksichtigt, dass ein Elektron, das sich in einem Medium bewegt, Licht aussendet, auch wenn es sich gleichförmig bewegt, sofern seine Geschwindigkeit größer ist als die von Licht."
Es gibt jedoch einige Missverständnisse über die Tscherenkow-Strahlung. Beispielsweise wird angenommen, dass das Medium durch das elektrische Feld des Teilchens polarisiert wird. Bewegt sich letzterer langsam, dann tendiert die Bewegung zurückmechanisches Gleichgewicht. Bewegt sich das Molekül jedoch schnell genug, bleibt aufgrund der begrenzten Reaktionsgeschwindigkeit des Mediums das Gleichgewicht hinter ihm und die darin enth altene Energie wird in Form einer kohärenten Stoßwelle abgestrahlt.
Solche Konzepte haben keine analytische Berechtigung, da elektromagnetische Strahlung emittiert wird, wenn sich geladene Teilchen in einem homogenen Medium mit subluminaler Geschwindigkeit bewegen, die nicht als Cherenkov-Strahlung betrachtet werden.
Umgekehrtes Phänomen
Der Tscherenkow-Effekt kann mit Substanzen erzielt werden, die Metamaterialien mit einem negativen Index genannt werden. Das heißt, mit einer Subwellenlängen-Mikrostruktur, die ihnen eine effektive "durchschnittliche" Eigenschaft verleiht, die sich sehr von den anderen unterscheidet, in diesem Fall mit einer negativen Permittivität. Dies bedeutet, dass, wenn ein geladenes Teilchen ein Medium schneller als die Phasengeschwindigkeit durchquert, es bei seinem Durchgang von vorne Strahlung aussendet.
Es ist auch möglich, Cherenkov-Strahlung mit einem inversen Kegel in nicht-metamaterialischen periodischen Medien zu erh alten. Hier ist die Struktur auf der gleichen Skala wie die Wellenlänge, sodass sie nicht als effektiv homogenes Metamaterial angesehen werden kann.
Funktionen
Im Gegensatz zu Fluoreszenz- oder Emissionsspektren, die charakteristische Spitzen aufweisen, ist Cherenkov-Strahlung kontinuierlich. Um das sichtbare Leuchten herum ist die relative Intensität pro Frequenzeinheit ungefährproportional zu ihr. Das heißt, höhere Werte sind intensiver.
Deshalb ist die sichtbare Tscherenkow-Strahlung hellblau. Tatsächlich finden die meisten Prozesse im ultravioletten Spektrum statt – nur bei ausreichend beschleunigten Ladungen wird es sichtbar. Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges ist grün und im violetten Teil des Spektrums sehr gering.
Kernreaktoren
Cherenkov-Strahlung wird verwendet, um hochenergetische geladene Teilchen zu detektieren. In Einheiten wie Kernreaktoren werden Beta-Elektronen als Zerfallsprodukte der Sp altung freigesetzt. Das Leuchten geht weiter, nachdem die Kettenreaktion aufgehört hat, und wird dunkler, wenn kurzlebigere Substanzen zerfallen. Auch die Tscherenkow-Strahlung kann die verbleibende Radioaktivität abgebrannter Brennelemente charakterisieren. Dieses Phänomen wird verwendet, um das Vorhandensein abgebrannter Kernbrennstoffe in Tanks zu überprüfen.
