Radiasi Cherenkov adalah reaksi elektromagnetik yang terjadi ketika partikel bermuatan melewati media transparan dengan kecepatan lebih besar dari indeks fase cahaya yang sama dalam media yang sama. Cahaya biru khas dari reaktor nuklir bawah air disebabkan oleh interaksi ini.
Sejarah
Radiasi ini dinamai ilmuwan Soviet Pavel Cherenkov, pemenang Hadiah Nobel 1958. Dialah yang pertama kali menemukannya secara eksperimental di bawah pengawasan seorang rekan pada tahun 1934. Oleh karena itu, ini juga dikenal sebagai efek Vavilov-Cherenkov.
Seorang ilmuwan melihat cahaya kebiruan samar di sekitar obat radioaktif dalam air selama percobaan. Disertasi doktoralnya adalah tentang pendaran larutan garam uranium, yang tereksitasi oleh sinar gamma alih-alih cahaya tampak yang kurang energik, seperti yang biasa dilakukan. Ia menemukan anisotropi dan menyimpulkan bahwa efek ini bukanlah fenomena fluoresen.
teori Cherenkovradiasi kemudian dikembangkan dalam kerangka teori relativitas Einstein oleh rekan ilmuwan Igor Tamm dan Ilya Frank. Mereka juga menerima Hadiah Nobel 1958. Rumus Frank-Tamm menggambarkan jumlah energi yang dipancarkan oleh partikel yang dipancarkan per satuan panjang yang ditempuh per satuan frekuensi. Ini adalah indeks bias bahan yang dilalui muatan.
Radiasi Cherenkov sebagai muka gelombang kerucut secara teoritis diprediksi oleh polymath Inggris Oliver Heaviside dalam makalah yang diterbitkan antara tahun 1888 dan 1889, dan oleh Arnold Sommerfeld pada tahun 1904. Namun keduanya dengan cepat dilupakan setelah pembatasan relativitas superpartikel hingga tahun 1970-an. Marie Curie mengamati cahaya biru pucat dalam larutan radium yang sangat pekat pada tahun 1910, tetapi tidak merincinya. Pada tahun 1926, radioterapis Prancis yang dipimpin oleh Lucien menggambarkan radiasi bercahaya radium, yang memiliki spektrum kontinu.
Asal Fisik
Meskipun elektrodinamika menganggap bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah konstanta universal (C), laju perambatan cahaya dalam medium dapat jauh lebih kecil daripada C. Kecepatan dapat meningkat selama reaksi nuklir dan dalam akselerator partikel. Sekarang jelas bagi para ilmuwan bahwa radiasi Cherenkov terjadi ketika elektron bermuatan melewati media transparan optik.
Analogi yang biasa adalah ledakan sonik dari pesawat super cepat. Gelombang ini, yang dihasilkan oleh badan reaktif,merambat pada kecepatan sinyal itu sendiri. Partikel divergen lebih lambat daripada objek yang bergerak, dan tidak dapat maju di depannya. Sebaliknya, mereka membentuk dampak depan. Demikian pula, partikel bermuatan dapat menghasilkan gelombang kejut ringan ketika melewati beberapa medium.
Juga, kecepatan yang harus dilampaui adalah kecepatan fase, bukan kecepatan grup. Yang pertama dapat diubah secara drastis dengan menggunakan media periodik, dalam hal ini seseorang bahkan dapat memperoleh radiasi Cherenkov tanpa kecepatan partikel minimum. Fenomena ini dikenal sebagai efek Smith-Purcell. Dalam media periodik yang lebih kompleks, seperti kristal fotonik, banyak reaksi anomali lainnya juga dapat diperoleh, seperti radiasi dalam arah yang berlawanan.
Apa yang terjadi di reaktor
Dalam makalah asli mereka tentang landasan teoretis, Tamm dan Frank menulis: "Radiasi Cherenkov adalah reaksi aneh yang tampaknya tidak dapat dijelaskan oleh mekanisme umum apa pun, seperti interaksi elektron cepat dengan atom tunggal atau radiasi. hamburan menjadi inti Di sisi lain, fenomena ini dapat dijelaskan baik secara kualitatif maupun kuantitatif, jika kita memperhitungkan fakta bahwa elektron yang bergerak dalam medium memancarkan cahaya, bahkan jika bergerak secara seragam, asalkan kecepatannya lebih besar daripada kecepatannya. ringan."
Namun, ada beberapa kesalahpahaman tentang radiasi Cherenkov. Misalnya, dianggap bahwa medium menjadi terpolarisasi oleh medan listrik partikel. Jika yang terakhir bergerak perlahan, maka gerakannya cenderung kembali kekeseimbangan mekanik. Namun, ketika molekul bergerak cukup cepat, kecepatan respons media yang terbatas berarti keseimbangan tetap terjaga, dan energi yang terkandung di dalamnya terpancar dalam bentuk gelombang kejut yang koheren.
Konsep seperti itu tidak memiliki pembenaran analitis, karena radiasi elektromagnetik dipancarkan ketika partikel bermuatan bergerak dalam media homogen dengan kecepatan subluminal, yang tidak dianggap sebagai radiasi Cherenkov.
Fenomena terbalik
Efek Cherenkov dapat diperoleh dengan menggunakan zat yang disebut metamaterial dengan indeks negatif. Yaitu, dengan mikrostruktur subwavelength, yang memberi mereka properti "rata-rata" efektif yang sangat berbeda dari yang lain, dalam hal ini memiliki permitivitas negatif. Ini berarti bahwa ketika partikel bermuatan melewati medium lebih cepat dari kecepatan fase, ia akan memancarkan radiasi dari bagiannya melalui itu dari depan.
Dimungkinkan juga untuk memperoleh radiasi Cherenkov dengan kerucut terbalik di media periodik non-metamaterial. Di sini, struktur berada pada skala yang sama dengan panjang gelombang, sehingga tidak dapat dianggap sebagai metamaterial yang homogen secara efektif.
Fitur
Tidak seperti spektrum fluoresensi atau emisi, yang memiliki puncak karakteristik, radiasi Cherenkov kontinu. Di sekitar cahaya tampak, intensitas relatif per satuan frekuensi kira-kiraproporsional dengannya. Artinya, nilai yang lebih tinggi lebih intens.
Inilah sebabnya radiasi Cherenkov yang terlihat berwarna biru cerah. Faktanya, sebagian besar proses berada dalam spektrum ultraviolet - hanya dengan muatan yang dipercepat yang cukup, proses itu menjadi terlihat. Sensitivitas mata manusia memuncak dalam warna hijau dan sangat rendah di bagian spektrum ungu.
Reaktor nuklir
Radiasi Cherenkov digunakan untuk mendeteksi partikel bermuatan energi tinggi. Dalam unit seperti reaktor nuklir, elektron beta dilepaskan sebagai produk peluruhan fisi. Cahaya berlanjut setelah reaksi berantai berhenti, meredup saat zat berumur pendek meluruh. Juga, radiasi Cherenkov dapat mengkarakterisasi sisa radioaktivitas elemen bahan bakar bekas. Fenomena ini digunakan untuk memeriksa keberadaan bahan bakar nuklir bekas di tangki.
