Çerenkov radiasiyası

İlk dəfə 1934-cü ildə Lebedev İnstitutunda Sergey Vavilovun rəhbərliyi altında eksperimental olaraq kəşf edən 1958-ci il Nobel mükafatı laureatı, sovet alimi Pavel Çerenkovun şərəfinə belə adlandırılmışdır. Buna görə də onu Vavilov-Çerenkov radiasiyası da adlandırırlar.^[2] Çerenkov təcrübələr zamanı sudakı radioaktiv maddənin ətrafında zəif mavimtıl işıq gördü. Onun doktorluq dissertasiyası adətən istifadə olunan daha az enerjili görünən işığın əvəzinə Qamma şüaları ilə həyəcanlanan uran duzu məhlullarının lüminesansına həsr olunmuşdu. O, radiasiyanın anizotropiyasını kəşf etdi və mavi parıltının flüoresan fenomen olmadığı qənaətinə gəldi.Bu təsir nəzəriyyəsi daha sonra 1937-ci ildə^[3] Eynşteynin xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi çərçivəsində Çerenkovun həmkarları İqor Tamm və 1958-ci il Nobel mükafatını da paylaşan İlya Frank tərəfindən işlənib hazırlanmışdır. Konusvari dalğa cəbhələri kimi Çerenkov şüalanması nəzəri olaraq 1888-1889-cu illər arasında nəşr olunan məqalələrdə Oliver Heaviside^[4] və Arnold Sommerfeld tərəfindən 1904^[5] tərəfindən proqnozlaşdırıldı, lakin nisbilik nəzəriyyəsinin 1970-ci ilə qədər superluminal hissəciklərlə məhdudlaşdırılmasından sonra hər ikisi tez bir zamanda rədd edildi.^[6] Marie Curie 1910-cu ildə yüksək konsentrasiyalı radium məhlulunda solğun mavi işığı müşahidə etdi,^[7] lakin onun mənbəyini araşdırmadı. 1926-cı ildə fransız radioterapevt Lucien Mallet radium şüalandıran suyun işıq emissiyasını davamlı spektrə malik olaraq təsvir etdi.^[8] 2019-cu ildə Dartmouth və Dartmouth-Hitchcock Norris Pambıq Xərçəng Mərkəzində tədqiqatçılar qrupu radiasiya müalicəsi alan xəstələrin sümüyündə Çerenkov işığının əmələ gəldiyini aşkar etdi. İşıq bioloji sistemlərdən işıq emissiyasını müşahidə etmək üçün xüsusi olaraq hazırlanmış CDose adlı görüntüləmə kamera sistemindən istifadə etməklə müşahidə edilib.^[9][10] Onilliklər ərzində xəstələr beyin xərçəngi üçün radiasiya terapiyası keçirərkən “parlaq və ya mavi işığın yanıb-sönməsi”^[11] kimi hadisələri bildirmişlər, lakin bu təsirlər heç vaxt eksperimental olaraq müşahidə edilməmişdir.^[10]

Vakuumda işığın sürəti universal sabit olsa da (c = 299,792,458 m/s), mühit tərəfindən yavaşlatıldığı kimi qəbul edildiyi üçün materialda sürət daha kiçik ola bilər. Məsələn, suda yalnız 0,75c-dir. Nüvə reaksiyaları zamanı və hissəcik sürətləndiricilərində maddə bundan daha böyük sürətə (hələ də c-dən kiçik olsa da, vakuumda işığın sürəti) sürətləndirilə bilər. Çerenkov şüalanması yüklü hissəcik, əksər hallarda elektron, dielektrik (bəlkə də elektrik qütbləşmiş) mühitdən həmin mühitdə işıq sürətindən daha böyük sürətlə keçdikdə baş verir.

Təsiri aşağıdakı kimi təsvir etmək olar. Klassik fizikadan bilirik ki, sürətlənən yüklü hissəciklər elektromaqnit dalğaları yayır və Hüygens prinsipinə əsasən, bu dalğalar mühitin faza sürəti (yəni, mühitdə işığın sürəti ilə verilmiş) ilə yayılan sferik dalğa cəbhələri əmələ gətirir.${\displaystyle c/n}$  üçün ${\displaystyle n}$ . Hər hansı bir yüklü hissəcik mühitdən keçdikdə, cavab olaraq mühitin hissəcikləri onun ətrafında qütbləşir. Yüklənmiş hissəcik qütbləşmiş mühitdə molekulları həyəcanlandırır və əsas vəziyyətinə qayıtdıqdan sonra molekullar fotonlar şəklində həyəcan əldə etmək üçün onlara ötürülən enerjini yenidən yayırlar. Bu fotonlar hərəkət edən hissəcikdən çıxan görünən sferik dalğa cəbhələri əmələ gətirir. Əgər ${\displaystyle v_{\text{p}}<c/n}$ , yəni yüklənmiş hissəciyin sürəti mühitdəki işığın sürətindən azdırsa, hərəkət edən hissəciyin ətrafında əmələ gələn qütbləşmə sahəsi adətən simmetrik olur. Müvafiq yayılan dalğa cəbhələri qruplaşdırıla bilər, lakin onlar üst-üstə düşmür və kəsişmir və buna görə də nəzərə alınmalı heç bir müdaxilə effekti yoxdur. Əks vəziyyətdə, yəni${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$ , qütbləşmə sahəsi hissəciklərin hərəkət istiqaməti boyunca asimmetrikdir, çünki mühitin hissəciklərinin "normal" təsadüfi vəziyyətlərinə qayıtmağa vaxtı yoxdur. Bu, dalğa formalarının üst-üstə düşməsinə səbəb olur (animasiyada olduğu kimi), konstruktiv müdaxilə isə xarakterik bir açıda müşahidə olunan konus formalı işıq siqnalına gətirib çıxarır.

Ümumi bir bənzətmə səsdən sürətli bir təyyarənin səsidir. Təyyarənin yaratdığı səs dalğaları, təyyarənin sürətindən daha yavaş olan səs sürətində yayılır və təyyarədən irəli yayıla bilmir, əksinə, konusvari zərbə cəbhəsi əmələ gətirir. Eynilə, yüklü hissəcik izolyatordan keçərkən görünən işığın "zərbə dalğası" yarada bilər. Aşılmalı olan sürət işığın qrup sürəti deyil, işığın faza sürətidir. Faza sürəti dövri mühitdən istifadə etməklə kəskin şəkildə dəyişdirilə bilər, bu halda hətta minimum hissəcik sürəti olmadan Cherenkov şüalanmasına nail olmaq olar, bu fenomen Smit-Pursel effekti kimi tanınır. Fotonik kristal kimi daha mürəkkəb dövri mühitdə geriyə doğru şüalanma (aşağıya bax) kimi bir çox digər anomal Çerenkov effektləri də əldə edilə bilər, halbuki normal Çerenkov radiasiyası hissəcik sürəti ilə kəskin bucaq əmələ gətirir.^[12]

Tamm və Frank Cherenkov radiasiyasının nəzəri əsaslarına dair orijinal məqalələrində yazırdılar: "Bu özünəməxsus şüalanma açıq-aydın heç bir ümumi mexanizmlə izah edilə bilməz, məsələn, sürətli elektronun tək bir atomla qarşılıqlı təsiri və ya elektronların atom nüvələri tərəfindən radiasiya səpilməsi kimi. Digər tərəfdən, fenomeni həm keyfiyyətcə, həm də keyfiyyətcə faktiki olaraq izah etmək olar. bir mühitdə hərəkət edən elektron, sürətinin mühitdəki işığın sürətindən böyük olması şərti ilə bərabər hərəkət etsə belə, əslində işıq saçır."^[13]

Həndəsi şəkildə hissəcik (qırmızı ox) mühitdə sürətlə hərəkət edir ${\displaystyle v_{\text{p}}}$  belə ki,$${\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,}$$  harada ki, ${\displaystyle c}$  vakuumda işığın sürətidir və ${\displaystyle n}$  mühitin sınma göstəricisidir. Əgər mühit sudursa, ${\displaystyle 0.75c<v_{\text{p}}<c}$ ,${\displaystyle n\approx 1.33}$  (20 °C su üçün). Bir hissəciyin sürəti ilə işığın sürəti arasındakı əlaqəni təyin edək:$${\displaystyle \beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.}$$  Buraxılan işıq dalğaları (mavi oxlarla göstərilir) sürətlə yayılır: $${\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}$$  Üçbucağın sol küncü t = 0 zamanında superluminal hissəciyin yerini göstərir. Üçbucağın sağ küncü hissəciyin t zamanının daha sonrakı anında yerini göstərir. Verilmiş t zamanında hissəcik bir məsafə qət edir $${\displaystyle x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct}$$  Yayılan elektromaqnit dalğaları isə onların səyahət məsafəsi ilə məhdudlaşır: $${\displaystyle x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.}$$  Beləliklə, $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}$$ 

Çerenkov şüalanması da uyğun şəkildə hazırlanmış bir ölçülü materiallardan istifadə etməklə ixtiyari istiqamətdə yayıla bilər.^[14] Sonuncu, sürətli hərəkət edən hissəciyin trayektoriyası boyunca faza gecikmə qradiyenti təqdim etmək üçün nəzərdə tutulmuşdur (${\displaystyle d\phi /dx}$ ), ümumiləşdirilmiş əlaqə ilə verilmiş ixtiyari bucaqlarda Çerenkov radiasiyasını tərsinə çevirmək və ya istiqamətləndirmək üçün $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}$$  Qeyd edək ki, bu nisbət zamandan asılı olmadığı üçün biz ixtiyari vaxtları götürə bilərik və yenə də oxşar üçbucaqlar əldə edə bilərik. Bucaq dəyişməz olaraq qalır, yəni ilkin vaxt t = 0 ilə son t vaxtı arasında yaranan sonrakı dalğalar, göstərildiyi kimi sağ ucları üst-üstə düşən oxşar üçbucaqlar əmələ gətirəcək.

Ters Çerenkov effekti mənfi indeksli metamateriallar adlanan materiallardan istifadə etməklə əldə edilə bilər. Bu o deməkdir ki, yüklü zərrəcik (adətən elektronlar) həmin mühitdə işığın faza sürətindən daha böyük sürətlə mühitdən keçdikdə, hissəcik özündən qabaqdan deyil, mühitdə irəliləyişindən quyruq radiasiyası yayır (həm müsbət keçiricilik, həm də keçiriciliyə malik olan ənənəvi materiallarda olduğu kimi).^[15] Bu cür tərs konuslu Çerenkov radiasiyasını qeyri-metomaterial dövri mühitlərdə də əldə etmək mümkündür, burada dövri struktur dalğa uzunluğu ilə eyni miqyasdadır, ona görə də onu effektiv şəkildə vahid metamaterial hesab etmək olmaz.^[12]

Çerenkov effekti vakuumda baş verə bilər.^[16] Səyahət dalğası borusu kimi yavaş dalğalı quruluşda faza sürəti azalır və yüklənmiş hissəciklərin sürəti aşağıda qalarkən faza sürətini keçə bilər${\displaystyle c}$ . Belə sistemdə bu təsir enerjinin və impulsun qorunmasından əldə edilə bilər:${\displaystyle p=\hbar \beta }$  (${\displaystyle \beta }$ ,^[17] ${\displaystyle p=\hbar k}$ . Bu növ şüalanma yüksək güclü mikrodalğalı sobaların yaradılması üçün istifadə olunur.^[18]

Tipik Çerenkov radiasiyası ilə eyni xüsusiyyətlərə malik radiasiya işıqdan daha sürətli hərəkət edən elektrik cərəyanı strukturları tərəfindən yaradıla bilər.^[19] Plazma sürətləndiricilərində sıxlıq profilləri ilə manipulyasiya etməklə, nanokulomlara qədər yüklü strukturlar yaradılır ki, onlar işıq sürətindən daha sürətli hərəkət edə bilir və Çerenkov bucağında optik zərbələr yaya bilirlər. Elektronlar hələ də subluminaldır, ona görə də t = t₀ zamanında strukturu təşkil edən elektronlar t > t₀ zamanında strukturdakı elektronlardan fərqlidir.