Tsjerenkov-effect

Het Tsjerenkov-effect verwijst naar de elektromagnetische straling die een elektrisch geladen deeltje afgeeft, wanneer dit zich door een medium voortplant met een snelheid groter dan de fasesnelheid van het licht in dat medium. Deze Tsjerenkovstraling (ook wel gespeld als Čerenkovstraling, Cerenkovstraling of Cherenkovstraling) is bijvoorbeeld goed zichtbaar in foto's van ontblote kernreactoren, waarbij duidelijk een blauwe gloed waar te nemen is. Het effect is vernoemd naar Pavel Tsjerenkov, de natuurkundige die in 1958 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kreeg voor de ontdekking van dit effect.

Tsjerenkov-effect in het hart van een TRIGA-reactor

De oorsprong van deze straling kan op het eerste gezicht vreemd klinken, aangezien in de relativiteitstheorie van Einstein gepostuleerd wordt dat er niets sneller dan de snelheid van het licht (c) kan gaan. Dit heeft echter alleen toepassing op de absolute snelheid van het licht, namelijk in het luchtledige. Als licht zich door materie moet voortplanten neemt de snelheid macroscopisch gezien af, soms zelfs aanzienlijk. Zo is in water met brekingsindex 1,33 de snelheid van het licht nog maar 1/1,33 = 0,75 keer de lichtsnelheid in vacuüm. Dit komt door de steeds voorkomende zeer kort durende interacties van het licht met de watermoleculen.

Zolang de hoogenergetische deeltjes de snelheid van het licht niet overschrijden zullen de tijdens interacties gevormde fotonen elkaar uitdoven, maar in het geval van een deeltje, dat sneller dan deze snelheid beweegt, wordt een coherent golffront gevormd. De straling is gericht volgens een kegel achter het deeltje. De openingshoek van de kegel is kleiner naarmate het deeltje sneller beweegt.

β is de snelheid van het deeltje ten opzichte van de lichtsnelheid c en n is de brekingsindex van het materiaal. Uit de illustratie volgt: ${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}$ In dit theoretische geval is er geen dispersie, dus geen verschil in n voor verschillende golflengtes in brekingsindex

De kegel van coherente fotonen is vergelijkbaar met de geluidskegel veroorzaakt door een vliegtuig of kogel die zich met snelheden hoger dan de geluidssnelheid bewegen. De Tsjerenkov-straling heeft een continu spectrum met een maximum in het ultraviolet toenemend met hogere frequenties, maar doordat de brekingsindex steeds verder afneemt bij kortere golflengte wordt ze bij zeer hoge frequenties beperkt. Het menselijk oog neemt alleen de violette en blauwe straling waar. Doordat de gevoeligheid van het oog voor violette straling gering is ten opzichte van blauw nemen we Tsjerenkov-straling waar als blauw. Wanneer we de straling met het oog kunnen waarnemen wijst dat op een grote activiteit doordat het grootste gedeelte als onzichtbare straling vrijkomt. De hoeveelheid Tsjerenkov-straling is evenredig met het aantal geladen deeltjes en met hun energie. De hoeveelheid energie die vrijkomt per lengte-eenheid wordt beschreven door de Frank-Tammformule.

De straling wordt ook gebruikt voor detectie van neutrino's: zie Super-Kamiokande.

Zie de categorie Cherenkov radiation van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.