تشعشعات چرنکوف (Cherenkov Radiation)

[parisa]

اشعه ی چرنکوف (Cherenkov Radiation) اولین بار در چندی قبل از سال 1900 میلادی در آزمایشات ماری و پیر کوری (Mary-Pierre Curie) هنگامیکه آنها پرتوزایی مواد رادیواکتیویته را بررسی می کردند دیده شد.
طبیعت پدیده ی جدید به صورت تشعشع اما نامخشص بود.

اولین تلاش برای درک ماهیت این پدیده ی جدید در سال 1926 میلادی توسط مالت (Mallet) انجام شد.
او فهمید نوری که از مواد مجاور یک منبع رادیواکتیو منتشر می شوند همیشه به صورت آبی فام – سفید و طیف آنها پیوسته است.
به همین دلیل این خاصیت فلئورسانس (Fluorescence) نبود. (در خاصیت فلئورسانس در بین رنگ ها در طیف ماده گستگی وجود دارد).
او همچنین فهمید که این پدیده ین نوع پرتوزایی است اما از طبیعت آن چیزی در نیافت!
این ناشناختگی تا سالهای 1937-1934 ادامه داشت تا آنکه آزمایشات پی. ای. چرنکوف (P.A.Cherenkov) در سال 1934 و در تکمیل آن نظریات آی. ای. تم (I.E.Tamm) و آی. ام. فرانک (I.M.Frank) در سال 1937 طبیعت این تشعشعات را آشکار کرد.
اگرچه اثرات آن تا سال 1958 به خوبی شناخته نشد. در میان آن نیز آزمایشات زیادی انجام گرفت.
برای مثال در سال 1947 اولین وسیله برای شناخت این تشعشعات توسط گتینگ (Getting) اختراع شد. وظیفه ی این دستگاه اکتشاف ذره ای بود که از خود تشعشعات چرنکوف منتشر می کرد.
البته لازم به ذکر است که اولین دستگاهی که موفق به انجام این کار شد (توانست دنباله ای از این تشعشعات را در گاز پیدا کند) را اسکل (Ascoll) در سال 1953 اختراع کرد.
اگرچه در همان سال دستگاه دیگری توسط گالبیراث (Galbraith) و جلی (Jelley) اختراع شد که توانست این تشعشعات را همراه با افزایش نور در نزدیکی آسمان مشاهده کند.

 

[parisa]

از آن به بعد آزمایشات همگی سعی می کردند که تشعشعات چرنکوف را در اتمسفر دنبال کنند.

قبل از معرفی تشعشعات چرنکوف باید این مطلب را ذکر کرد که این تشعشعات هیچ ارتباطی با برامزاشتراهلونگ (Bremsstrahlung) ندارند. اثر مذکور اثری است که در آن پرتوزایی با حرکت الکترون ها و برخورد اتم ها ایجاد می شوند.
اما اثر چرنکوف پرتوزایی را با توجه به حرکت ذرات در میادین بررسی می کند.
تفاوت بین این دو نوع پرتوزایی هنگامی بسیار مشخص می شود که دو جرم بسیار بزرگ را برای ذرات در نظر بگیریم.
در این صورت ذره ی تحت تاثیر برامشترالنگ ناپدید می شود اما ذره ی متاثر از چرنکوف بدون تاثیرپذیری باقی می ماند.
تشعشع چرنکوف همراه با حرکت تاکیونی ذرات باردار در اتمسفر منتشر می شوند. (حرکت تاکیونی حرکتی با سرعت بالاتر از نور است).
پرتوزایی تحت تاثیر مقدار n در معادله ی (1.1) می باشد که در آن مقدار انکسار متناسب با چگالی اتمسفر است.
شکل هندسی ساده از این فرآیند برای این است که ذرات ماورای روشنایی حرکت می کنند(به صورت Superluminal) که در این حرکت یک تصادم (تلاطم) معمولی در امواج به دلیل انرژی کم در پشت ذرات ایجاد می شود. (تصادم امواج در امواج پشت ذرات بعد از حرکت ایجاد می شود).
[h=4]شکل: ساختمان هایجن ها (Huygens) برای مشخص کردن ارتباط : (از این شکل با توجه به مسیر حرکت ذره می توان فهمید که این تشعشعات تنها در زوایای خاصی (θ) با نام زاویه ی چرنکوف منتشر می شوند. این زاویه مکانهایی را نشان می دهد که در آنها امواج از نقاط دلخواه مانند P1,P2,P3 بر مسیر AB وابسته و مرکب در مقابل خط مسطح BC هستند. این وابستگی هنگامی رخ می دهد که ذره از A به B حرکت کند که زمان حرکت این ذره برابر با زمانی است که نور طول می کشد تا از A به C سفر کند).

اگر سرعت ذره V یا β.C باشد که در آن C سرعت نور در خلا و (C/n) سرعت اشعه ی چرنکوف به صورت میانگین است. آنگاه می توانیم زاویه ی چرنکوف را با توجه به محاسبات هندسی بنویسیم:
معادله ی (1.1):

معادله ی (1.2):

که در آن n میانگین مقدار انحراف و TΔ زمانی است که طول می کشد تا ذره از A به B برسد.
از معادله ی (1.2) می توانیم چند نکته را اشاره کنیم:

 

[parisa]

) برای هر میانگین مقدار انحراف n یک سرعت آستانه ای وجود دارد.

که در آن تشعشعی در کار نخواهد بود.
در این سرعت مداری مسیر حرکت تشعشع بر مسیر حرکت ذره منطبق می شود. برای دیدن این پدیده باید معادله ی (1.2) را به شکل زیر بنویسیم: معادله ی (1.3):

بنابراین این فرآیند می تواند در ساختمان آستانه ای استفاده شود.
البته تشعشع چرنکوف تنها زمانی مشخص می شود که ذره با سرعت بیشتری از (C/n) حرکت کند.

2) برای یک ذره ی فرا نسبیتی که در آن β = 1 است حداکثر زاویه ی پرتوزایی را خواهیم داشت:
معادله ی (1.4):

تشعشعات در ناحیه ی طیفی پدید و نیمه پدید رخ می دهد که در آن میانگین مقدار انکسار بیشتر از یک است.
یک میانگین واقعی همواره پراکنده کننده است. بنابراین این تشعشات محدود به فرکانس های (طول موج های) n(u) > (1/β) می باشد.
در ناحیه ی طیفی اشعه ی X (ایکس) n(u) همیشه بزرگتر از یک است و به همین دلیل جز اشعه های ممنوعه می باشد. (از نظر طول موج).
بنابراین پرتوزایی در ناحیه ی اشعه ی X غیر ممکن برای n کمتر از اشتراک می باشد و در غیر این صورت معادله ی (1.4) توجیه نخواهد شد.

تنها دو نکته مانده تا موفقیت تکمیل شود.
علاوه بر این بیان کرده ایم که نقطه ی (i) و طول مسیر ذره (l) باید به طور میانگین در مقایسه با طول موج (λ) اشعه زیادتر باشد.
در غیر این صورت انحراف زمان برای ذره در سمت افق و در فواصل متوالی (λ) باید نسبت به دوره ی انتشار نور (λ/C) کمتر باشد.

اگر به معادله ی ماکسول (Maxwell) در مورد امواج الکترومغناطیس (Electromagnetic waves) توجه کنیم ذرات باردار در هنگام حرکت با سرعت ثابت نباید بدرخشند.
همین امر اثباتی است بر اینکه تشعشعات چرنکوف به طور کامل با برامزاشتراهلونگ (تابش ترمزی) متفاوت هستند.

بخش اصلی در این کار بر تخمین متغیر پایه گذاری شده است و کشف میزان انزوای کیهانی در مقابل انرژی کم می تواند تشعشعات چرنکوف را برای ما در اتمسفر مجسم کند.
تلسکوپ (IACT) MAGIC و ما می خواهیم روشی جدید برای نقض انزوا به همراه منابع اضافی از انرژی کم را بیان کنیم.

قبل از تمام کردن این مطلب ما می خواهیم به طور مختصر ظاهری از تشعشات چرنکوف را توضیح دهیم.

در صورتیکه تشعشعات چرنکوف طیف انرژی و مقداری از ذرات پرتوزا را داشته را داشته باشند تعداد فوتون هایی که با تغییر ذرات باردار منتشر می شوند (Ze) همراه با وقفه ی انرژی یا مترادف λ برای فوتون ها برابر است با: معادله ی (1.5):

شکل: متغیر طیف فوتون چرنکوف
خط پیوسته نشان دهنده ی جذب اوزون و پراکندگی ریلی (Rayleigh) – می (Mie) می باشد.

برای مورد مخصوص حرکات الکترون ها در طول یک مسیر به طول l همراه با یک ناحیه ی طیفی پیدا می شود. توسط طول موج های 1λ و 2λ خواهیم داشت: معادله ی (1.6):

که در آن α (آلفا) مقدار ثابت برابر با:

می باشد و n میانگین مقدار انکسار است. (که این همان وظیفه ی انرژی فوتون و یا مترادف فرکانس می باشد).
این بدان معناست که بخش عظیمی از چرنکوف و فوتون ها در رده ی اشعه های ماورای بنفش منتشر می شوند. زیرا:

و طیف منتهایی (حداکثری) در اطراف 330 نانومتر دارد.


با گفتن این مطلب یک دید کلی از تشعشعات چرنکوف را بیان کردیم.

مقاله ی اصلی از: اما انا ویلهلمی (Emma Ona Wilhelmi) در تاریخ 18-10-2001

ترجمه: (متن از انگلیسی به فارسی – اشکال از اسپانیایی به انگلیسی): علیرضا یعقوبی