Efect Čerenkov

Lumina albastră caracteristică vizibilă în reactoarele nucleare datorită efectului Čerenkov. ^[1]

Efectul Čerenkov constă în emisia de radiații electromagnetice dintr-un material ale cărui molecule sunt polarizate de o particulă încărcată în mișcare care trece prin el. Efectul Čerenkov apare numai atunci când viteza particulei din mediul de trecere este mai mare decât viteza de fază a luminii din același mediu. Mai general, vorbim de radiația Čerenkov, când mediul prin care trece nu este „transparent” față de lumina vizibilă.

Acesta poartă numele fizicianului sovietic Pavel Alekseevič Čerenkov , care a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1958 pentru studii asupra acestui fenomen. ^[2]

Fizica efectului Čerenkov

Efect Čerenkov

Conform teoriei relativității , nici o particulă nu poate călători mai repede decât viteza luminii în vid (299 792 458 m / s). Cu toate acestea, într-un mediu dens, viteza de fază a luminii este mai mică decât cea din vid, iar într-un mediu cu indice de refracție n va fi c / n . Se poate întâmpla ca o particulă să depășească viteza de fază a luminii în mediu (rămânând totuși la limita c ). ^[3] Dacă această particulă este încărcată electric, apare efectul Čerenkov, adică emisia de radiații γ .

Acest lucru se datorează faptului că particula încărcată, de-a lungul traiectoriei sale, induce momente dipolare temporare în atomii sau moleculele mediului. Revenind la configurația inițială, moleculele produc radiații electromagnetice. Această radiație electromagnetică se propagă într-un front sferic. Dacă particula se deplasează lent, această perturbare se relaxează elastic și există o revenire la echilibrul mecanic imediat ce particula a trecut. Dacă, pe de altă parte, viteza particulei este suficient de mare în raport cu timpul de răspuns al mediului (și acest lucru se întâmplă atunci când viteza particulei din mediul încrucișat este mai mare decât viteza luminii în același mediu) atunci fronturile de unde electromagnetice (cercuri în exemplul bidimensional) se suprapun constructiv și energia produsă de această perturbare radiază ca o undă de șoc coerentă în direcția $\vartheta$ ${\ displaystyle \ vartheta}$ $\ vartheta$ în ceea ce privește direcția particulei.

La fel ca în aer, atunci când un obiect depășește bariera sonoră , se formează un con de undă ( unde mecanice ), în același mod, cu unde electromagnetice, în condițiile stabilite mai sus, asistăm la producerea unui con de undă destul de similar cu Conul lui Mach pentru sunet .

Caracteristica radiației Čerenkov este așa-numitul unghi Čerenkov , ^[3] indicat în figura cu litera $\vartheta$ ${\ displaystyle \ vartheta}$ $\ vartheta$ .

Unghiul Čerenkov poate fi calculat folosind următoarea relație:

\cos \vartheta ={\frac {1}{n}}{\frac {c}{v}}

{\ displaystyle \ cos \ vartheta = {\ frac {1} {n}} {\ frac {c} {v}}}

\ cos \ vartheta = \ frac {1} {n} \ frac {c} {v}

unde n este indicele de refracție al mediului, c este viteza luminii în vid (și în consecință ${\frac {c}{n}}$ ${\ displaystyle {\ frac {c} {n}}}$ $\ frac {c} {n}$ viteza luminii în mijloc) și v este viteza particulelor încărcate.

Pentru particulele relativiste, raportul dintre viteza particulei v și viteza luminii c este notată cu $\beta ={\frac {v}{c}}$ ${\ displaystyle \ beta = {\ frac {v} {c}}}$ $\ beta = \ frac {v} {c}$ , iar unghiul Čerenkov se dovedește a fi:

\cos \vartheta ={\frac {1}{n\beta }}

{\ displaystyle \ cos \ vartheta = {\ frac {1} {n \ beta}}}

\ cos \ vartheta = \ frac1 {n \ beta}

Se poate vedea imediat că unghiul maxim este atunci când particula se mișcă cu aproximativ viteza c . În acest caz, relația devine:

\cos \vartheta _{max}={\frac {1}{n}}

{\ displaystyle \ cos \ vartheta _ {max} = {\ frac {1} {n}}}

\ cos \ vartheta_ {max} = \ frac {1} {n}

Detectarea radiației Čerenkov este în prezent exploatată în astronomia surselor gamma și în experimentele efectuate pe neutrini , detectând de exemplu muonii produși în apă, care, fiind încărcați negativ, și călătorind cu o viteză mai mare decât cea a propagării lumina în apă, dă naștere efectului Čerenkov.

Utilizări

Radiația Čerenkov este utilizată în principal în experimente științifice privind detectarea particulelor de origine spațială și, în special, a fost utilizată în studiul neutrinului . În reactoarele cu imersie nucleară, intensitatea radiației este legată de frecvența evenimentelor de fisiune și, prin urmare, este indicativă a nivelului de activitate al reactorului. În mod similar, este utilizat pentru a evalua radioactivitatea reziduală prezentă în tijele de combustibil uzat.

Când razele cosmice lovesc atmosfera , perechile de electroni și pozitroni pot fi produse cu viteză mare. Radiația Čerenkov generată de aceste particule este utilizată pentru a determina direcția și intensitatea sursei razelor cosmice care cauzează evenimentul, prin așa-numitele telescoape Čerenkov . Această tehnică, denumită Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT) în engleză, este utilizată în experimente precum HESS și MAGIC . Același principiu este exploatat în detectoarele de neutrini, cum ar fi Super-Kamiokande . Efectul Čerenkov este exploatat și de Observatorul IceCube situat la Polul Sud.

În ficțiunea SF

„Propulsia Čerenkov” din romanul Infanterie spațială a lui Robert A. Heinlein este sistemul folosit de nave spațiale pentru a se deplasa mai repede decât viteza luminii . ^[4]

În romanul Planeta tăcerii ( Fiasko , 1986), Stanisław Lem descrie radiația slabă Čerenkov produsă de motoarele siderale ale navei spațiale Hermes .

În Star Trek , navele spațiale, în timp ce se aflau în urzeală , călătoresc cufundate într-un tunel compus din efectul Čerenkov caracterizat prin radiația albastră tipică. ^[5] Un efect similar se vede și în anime-ul Cowboy Bebop .

În seria de jocuri video Mass Effect , dacă câmpul de forță se prăbușește în timp ce o navă călătorește cu viteză superluminală, consecințele ar fi catastrofale: nava ar fi readusă la viteza subluminală și cantitatea enormă de energie ar fi eliberată sub formă de radiații letale Čerenkov.

În romanul thriller tehnologic al lui PW Singer Ghost Fleet , se presupune că China a dobândit capacitatea de a detecta nave navale cu propulsie nucleară, atât scufundate, cât și la suprafață, și folosește această capacitate pentru a-și impune supremația militară asupra Pacificului, învingând Marina SUA.

Notă

^ DESY kworkquark.net Arhivat 13 decembrie 2007 la Internet Archive . TE Stevens, JK Wahlstrand, J. Kuhl, R. Merlin: Radiația Cherenkov la viteze sub pragul luminii. Potrivirea fazelor asistate de Phonon . Știință . 26 ianuarie 2001
^ Pavel A. Čerenkov , Emisiunea vizibilă a lichidelor curate prin acțiunea radiației γ, în Doklady Akademii Nauk SSSR , vol. 2, 1934, p. 451. Retipărit în lucrări selectate ale fizicienilor sovietici, Usp. Fiz. Nauk 93 (1967) 385. V sbornike: Pavel Alekseyevich Čerenkov: Chelovek i Otkrytie pod redaktsiej AN Gorbunova i EP Čerenkovoj, M., "Nauka", 1999, s. 149-153. ( Ref Depus 22 octombrie 2007 în Internet Archive .)
^ ^a ^b Chiyan Luo, Mihai Ibanescu, Steven G. Johnson și JD Joannopoulos, " Cerenkov Radiation in Photonic Cristals", Science 299 , 368-371 (2003).
^ Robert Heinlein, Space Infantry , traducere de Hilja Brinis, seria Oscar Bestsellers nr. 498, Arnoldo Mondadori Editore, 1992, p. 304, ISBN 88-04-39819-1 .
^ Lawrence M. Krauss , The physics of Star Trek , in Galileo's lens , traducere de Libero Sosio , Longanesi & C. , 1996, ISBN 88-304-1390-9 .

Bibliografie

LD Landau, EM Liftshitz și LP Pitaevskii,Electrodynamics of Continuous Media , New York, Pergamon Press, 1984, ISBN 0-08-030275-0 .
JV Jelley, Cerenkov Radiation and its Applications , Londra, Pergamon Press, 1958.
SJ Smith și EM Purcell, Lumina vizibilă de la încărcările de suprafață localizate care se deplasează pe o rețea , în Physical Review , vol. 92, nr. 4, 1953, p. 1069, DOI : 10.1103 / PhysRev.92.1069 .
Robert Heinlein, Space Infantry , în seria Oscar Bestsellers nr. 498 , traducere de Hilja Brinis , Arnoldo Mondadori Editore, 1992, ISBN 88-04-39819-1 .

Elemente conexe

Experiment Cherenkov cu apă de mare altitudine

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre efectul Čerenkov

linkuri externe

( RO ) IUPAC Gold Book, „Efectul Cerenkov” , pe goldbook.iupac.org .
( EN ) Thermopedia, "Cerenkov Radiation"

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85023069 · GND (DE) 4147494-6

Portalul Energiei Nucleare

Portalul relativității

[1] DESY kworkquark.net Arhivat 13 decembrie 2007 la Internet Archive . TE Stevens, JK Wahlstrand, J. Kuhl, R. Merlin: Radiația Cherenkov la viteze sub pragul luminii. Potrivirea fazelor asistate de Phonon . Știință . 26 ianuarie 2001

[2] Pavel A. Čerenkov , Emisiunea vizibilă a lichidelor curate prin acțiunea radiației γ, în Doklady Akademii Nauk SSSR , vol. 2, 1934, p. 451. Retipărit în lucrări selectate ale fizicienilor sovietici, Usp. Fiz. Nauk 93 (1967) 385. V sbornike: Pavel Alekseyevich Čerenkov: Chelovek i Otkrytie pod redaktsiej AN Gorbunova i EP Čerenkovoj, M., "Nauka", 1999, s. 149-153. ( Ref Depus 22 octombrie 2007 în Internet Archive .)

[Luo03-3] Chiyan Luo, Mihai Ibanescu, Steven G. Johnson și JD Joannopoulos, " Cerenkov Radiation in Photonic Cristals", Science 299 , 368-371 (2003).

[Heinlein-4] Robert Heinlein, Space Infantry , traducere de Hilja Brinis, seria Oscar Bestsellers nr. 498, Arnoldo Mondadori Editore, 1992, p. 304, ISBN 88-04-39819-1 .

[Krauss-5] Lawrence M. Krauss , The physics of Star Trek , in Galileo's lens , traducere de Libero Sosio , Longanesi & C. , 1996, ISBN 88-304-1390-9 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]