קרינת צ'רנקוב היא תגובה אלקטרומגנטית המתרחשת כאשר חלקיקים טעונים עוברים דרך תווך שקוף במהירות גדולה יותר מאותו אינדקס פאזה של אור באותו תווך. הזוהר הכחול האופייני של כור גרעיני תת-מימי נובע מאינטראקציה זו.
היסטוריה
הקרינה נקראת על שם המדען הסובייטי פאבל צ'רנקוב, חתן פרס נובל לשנת 1958. זה היה זה שגילה אותו לראשונה בניסוי תחת פיקוחו של עמית ב-1934. לכן, הוא ידוע גם בשם אפקט Vavilov-Cherenkov.
מדען ראה אור כחלחל חלש סביב תרופה רדיואקטיבית במים במהלך ניסויים. עבודת הדוקטורט שלו הייתה על הארה של תמיסות של מלחי אורניום, אשר נרגשו מקרני גמא במקום האור הנראה הפחות אנרגטי, כפי שנהוג לעשות. הוא גילה את האניזוטרופיה והגיע למסקנה שהאפקט הזה אינו תופעה פלואורסצנטית.
התיאוריה של צ'רנקובקרינה פותחה מאוחר יותר במסגרת תורת היחסות של איינשטיין על ידי עמיתיו של המדען איגור תמם ואיליה פרנק. הם גם קיבלו את פרס נובל לשנת 1958. נוסחת Frank-Tamm מתארת את כמות האנרגיה הנפלטת מחלקיקים מוקרנים ליחידת אורך שנסעה ליחידת תדירות. זהו מקדם השבירה של החומר שדרכו עובר המטען.
קרינת צ'רנקוב כחזית גל חרוטית נחזה תיאורטית על ידי הפולימת האנגלי אוליבר Heaviside במאמרים שפורסמו בין 1888 ל-1889, ועל ידי ארנולד זומרפלד ב-1904. אבל שניהם נשכחו במהירות לאחר ההגבלה של תורת היחסות של חלקיקי העל עד שנות ה-70. מארי קירי צפתה באור כחול חיוור בתמיסה מרוכזת מאוד של רדיום בשנת 1910, אך לא נכנסה לפרטים. בשנת 1926, רדיותרפיסטים צרפתים בראשות לוסיאן תיארו את הקרינה הזוהרת של רדיום, שיש לו ספקטרום רציף.
מקור פיזי
למרות שהאלקטרודינמיקה מחשיבה שמהירות האור בוואקום היא קבועה אוניברסלי (C), קצב התפשטות האור בתווך יכול להיות הרבה פחות מ-C. המהירות יכולה לעלות במהלך תגובות גרעיניות ובמאיצי חלקיקים. כעת ברור למדענים שקרינת צ'רנקוב מתרחשת כאשר אלקטרון טעון עובר דרך תווך שקוף אופטית.
האנלוגיה הרגילה היא הבום הקולי של מטוס מהיר במיוחד. גלים אלה, שנוצרו על ידי גופים תגובתיים,להתפשט במהירות האות עצמו. חלקיקים מתפצלים לאט יותר מחפץ נע, ואינם יכולים להתקדם לפניו. במקום זאת, הם יוצרים חזית פגיעה. באופן דומה, חלקיק טעון יכול ליצור גל הלם קל כשהוא עובר דרך מדיום כלשהו.
כמו כן, המהירות שיש לחרוג ממנה היא מהירות פאזה, לא מהירות קבוצתית. את הראשון ניתן לשנות באופן דרסטי על ידי שימוש במדיום תקופתי, ובמקרה זה ניתן אפילו להשיג קרינת צ'רנקוב ללא מהירות חלקיקים מינימלית. תופעה זו ידועה בשם אפקט Smith-Purcell. במדיום תקופתי מורכב יותר, כמו גביש פוטוני, ניתן לקבל גם תגובות חריגות רבות אחרות, כמו קרינה בכיוון ההפוך.
מה קורה בכור
במאמריהם המקוריים על היסודות התיאורטיים, כתבו תמם ופרנק: "קרינת צ'רנקוב היא תגובה מוזרה שכנראה לא ניתנת להסבר על ידי שום מנגנון כללי, כגון האינטראקציה של אלקטרון מהיר עם אטום בודד או קרינה. פיזור לתוך גרעינים מצד שני, ניתן להסביר תופעה זו הן מבחינה איכותית והן מבחינה כמותית, אם ניקח בחשבון את העובדה שאלקטרון שנע במדיום פולט אור, גם אם הוא נע באופן אחיד, בתנאי שמהירותו גדולה מזו של אור."
עם זאת, יש כמה תפיסות מוטעות לגבי קרינת צ'רנקוב. לדוגמה, זה נחשב שהמדיום הופך מקוטב על ידי השדה החשמלי של החלקיק. אם האחרון זז לאט, אז התנועה נוטה בחזרהאיזון מכני. עם זאת, כאשר המולקולה נעה מספיק מהר, מהירות התגובה המוגבלת של המדיום פירושה ששיווי המשקל נשאר בעקבותיו, והאנרגיה הכלולה בו מוקרנת בצורה של גל הלם קוהרנטי.
למושגים כאלה אין הצדקה אנליטית, שכן קרינה אלקטרומגנטית נפלטת כאשר חלקיקים טעונים נעים במדיום הומוגני במהירויות תת-לומינליות, שאינן נחשבות כקרינת צ'רנקוב.
תופעה הפוכה
ניתן להשיג את אפקט צ'רנקוב באמצעות חומרים הנקראים מטא-חומרים בעלי אינדקס שלילי. כלומר, עם מיקרו-מבנה באורך תת-גל, המקנה להם תכונה אפקטיבית "ממוצעת" השונה מאוד מהאחרים, במקרה זה בעלת פרמיטטיביות שלילית. המשמעות היא שכאשר חלקיק טעון עובר בתווך מהר יותר ממהירות הפאזה, הוא יפלוט קרינה מהמעבר שלו דרכו מהחזית.
ניתן גם להשיג קרינת צ'רנקוב עם קונוס הפוך במדיה תקופתית שאינה מטא-חומרית. כאן, המבנה נמצא באותו קנה מידה כמו אורך הגל, כך שלא ניתן להתייחס אליו כמטא-חומר הומוגני ביעילות.
תכונות
בניגוד לספקטרום הקרינה או הפליטה, שיש להם פסגות אופייניות, קרינת צ'רנקוב היא רציפה. סביב הזוהר הנראה, העוצמה היחסית ליחידת תדירות היא בערךפרופורציונלי אליה. כלומר, ערכים גבוהים יותר חזקים יותר.
זו הסיבה שקרינת צ'רנקוב הנראית לעין היא כחולה בוהקת. למעשה, רוב התהליכים הם בספקטרום האולטרה-סגול - רק עם מטענים מואצים מספיק הוא הופך להיות גלוי. רגישות העין האנושית מגיעה לשיא בירוק והיא נמוכה מאוד בחלק הסגול של הספקטרום.
כורים גרעיניים
קרינת צ'רנקוב משמשת לזיהוי חלקיקים טעונים באנרגיה גבוהה. ביחידות כגון כורים גרעיניים, אלקטרונים בטא משתחררים כמוצרי פירוק ביקוע. הזוהר ממשיך לאחר הפסקת תגובת השרשרת, מתעמעם כאשר חומרים בעלי חיים קצרים יותר מתפוררים. כמו כן, קרינת צ'רנקוב יכולה לאפיין את הרדיואקטיביות הנותרת של יסודות הדלק המושקע. תופעה זו משמשת לבדיקת הימצאות דלק גרעיני בשימוש במיכלים.
