50 χρόνια από το Νόμπελ Φυσικής του 1958 που δόθηκε στους Cherenkov, Frank και Tamm

Άρθρο, Φεβρουάριος 2008

Το Νόμπελ για τη Φυσική του 1958 δόθηκε εκείνη τη χρονιά σε τρεις εξέχοντες Ρώσους  φυσικούς για την ανακάλυψη και την ερμηνεία του φαινομένου Cherenkov. Τον Pavel Cherenkov (1904-1990), τον Il΄ja Frank (1908-1990) και τον Igor Tamm (1895-1971) του Ινστιτούτου Φυσικής της Ακαδημίας των Επιστημών στην τότε ΕΣΣΔ.

Η ανακάλυψη του φαινομένου, έγινε από τον ίδιο τον  Cerenkov ενώ η ερμηνεία του έγινε αργότερα από τους άλλους δύο βραβευθέντες εκείνη τη χρονιά. Μάλιστα, η ανακάλυψή του έγινε από μια σχετικά απλή φυσική παρατήρηση.

Όταν αντικείμενα υψηλής ραδιενέργειας παρατηρούνται κάτω από το νερό, όπως στις "δεξαμενές" των αντιδραστήρων και στις περιοχές αποθήκευσης καυσίμων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες μέσα στο νερό, φαίνονται να λούζονται με ένα έντονο γαλάζιο φως. Η ακτινοβολία αυτή, που φέρει το όνομα του Σοβιετικού επιστήμονα που πρώτος την ανακάλυψε το 1934, είναι χρήσιμη για την μέτρηση των ταχυτήτων των φορτισμένων σωματιδίων.

Αυτό το γαλάζιο φως, προκαλείται από φορτισμένα σωμάτια, που εισέρχονται στο νερό με ταχύτητες v' μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός v στο νερό (v=c/n όπου n ο δείκτης διάθλασης του φωτός στο νερό). Καθώς τα σωμάτια, που έχουν στην αρχή ταχύτητες συγκρινόμενες με του φωτός, επιβραδύνονται στην ταχύτητα που έχει το φωτός στο μέσον (νερό), παράγουν έναν κώνο του φωτός, κατά προσέγγιση ανάλογο με το ακουστικό κύμα κρούσεως που εκπέμπεται από ένα βλήμα που τρέχει με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στον αέρα. Η ακτινοβολία αυτή εκπέμπεται στην περιοχή του κυανού και κοντά στο υπεριώδες. 

Όταν το φορτισμένο σωμάτιο κινείται μέσα στο νερό, αλληλεπιδρά με ηλεκτρόνια που βρίσκονται κατά μήκος της τροχιάς του, και εκπέμπονται μέτωπα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Αλλά όταν η ταχύτητα του σωματίου είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός v στο νερό, τότε τα μέτωπα των κυμάτων δεν συσχετίζονται μεταξύ τους και είναι ανεξάρτητα το ένα με το άλλο. Έτσι δεν έχουμε το φαινόμενο Cerenkov.

Όμως όταν η ταχύτητα του σωματίου είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός v στο νερό (v'>v), τότε τα μέτωπα των κυμάτων συμβάλλουν μεταξύ τους, και σχηματίζουν ένα μέτωπο κύματος (μέτωπο φωτεινού κύματος), έτσι ώστε η εκπομπή να περιορίζεται σε έναν κώνο γωνίας θ, όπου θ/2 ισούται με το πηλίκο c/nv. Έξω δε από τον κώνο, η ακτινοβολία χάνεται απότομα.

Η ακτινοβολία Cerenkov είναι ανεξάρτητη επίσης από τη μάζα του σωματίου, εξαρτομένη μόνο από το φορτίο και την ταχύτητά της. Η ακτινοβολία Cerenkov εκπέμπεται σε όλες τις συχνότητες στο ορατό φάσμα, εάν αυτό συμβαίνει σε ένα οπτικά διαφανές μέσο, αλλά η ενέργεια ανά μήκος κύματος είναι ανάλογη προς τον αντίστροφο κύβο του μήκους κύματος. Έτσι τα βραχέα μήκη κύματος είναι πιό προτιμητέα, και το χρώμα που φαίνεται περιγράφεται ως ένα "γαλαζωπό λευκό".

Οι αρχικοί ανιχνευτές Cerenkov χρησιμοποίησαν το γυαλί, και τη μίκα ως μέσα ανιχνευτών. Όλα είχαν δείκτες διάθλασης γύρω από n=1.5, έτσι η περιοριστική γωνία Cerenkov ήταν περίπου 48°. Έτσι μπορούμε να ανιχνεύσουμε φορτισμένα σωματίδια με ταχύτητα v>2.10¹⁰ cm/sec.

Αν και η ακτινοβολία Cerenkov μπορεί να παραχθεί σε όλες τις γωνίες τις μικρότερες από την περιοριστική γωνία,  καθώς το σωμάτιο επιβραδύνεται,, στην πράξη η εκπομπή φαίνεται σαν ένας στενός κώνος με πλάτος μόνο μερικών βαθμών.

Τα σωμάτια επιβραδύνονται πολύ γρήγορα, κι έτσι η ακτινοβολία προέρχεται από ένα πολύ σύντομο τμήμα στο μέσο και σ' ένα πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (< 10^-10 sec). Από το 1951, ο Mather ανέφερε τη χρήση της ακτινοβολίας Cerenkov για να καθορίσει την ενέργεια πρωτονίων 340 MeV με μια αβεβαιότητα +/- μόνο 0,8 MeV.

Οι αναλυτικές επεξεργασίες της ακτινοβολίας Cerenkov πραγματοποιήθηκαν από τους Frank,  Tamm και Fermi.

Μια από τις πολύτιμες εφαρμογές της ακτινοβολίας Cerenkov είναι η ανίχνευση των νετρίνο και η διάκριση μεταξύ των διαφορετικών τύπων των νετρίνων. Ένα ενεργητικό μιόνιο παραμένει άθικτο ενώ επιβραδύνεται και ο κώνος Cerenkov του, σχηματίζει ένα σαφώς καθορισμένο κυκλικό δαχτυλίδι στους φωτοανιχνευτές των σωματίων. Ένα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνιο αφ' ετέρου θα παραγάγει ένα μη σαφές δαχτυλίδι στους ανιχνευτές, επειδή θα παραγάγει ένα ντους ηλεκτρονίων, που όμως το κάθ' ένα έχει και τον κώνο Cerenkov του.

Από την ιστορία της Φυσικής

Όταν ο Pavel Cerenkov, στις αρχές της δεκαετίας του '30, ήταν σπουδαστής στο Ινστιτούτο Lebedev στη Μόσχα, είχε αναλάβει για τη διδακτορική του διατριβή να μελετήσει τι συμβαίνει όταν η ακτινοβολία από μια πηγή ραδίου διαπερνά και απορροφάται σε διαφορετικά ρευστά. Στο ίδιο πρόβλημα, αναμφισβήτητα, είχαν επικεντρωθεί κι άλλοι επιστήμονες πριν αναλάβει να το μελετήσει ο Cerenkov. Ένα είναι βέβαιο στην υπόθεση αυτή. Ότι πολλοί φυσικοί είχαν παρατηρήσει μια ασθενή γαλαζωπή φωτεινή ακτινοβολία μέσα στο νερό, που υπήρχε η πηγή του ραδίου. Ένας από αυτούς ήταν ο Γάλλος Lucien Mallet. Η γαλαζωπή φωτεινή ακτινοβολία είχε θεωρηθεί σαν εκδήλωση του φθορισμού. Όπως είναι γνωστό, αν μια ακτινοβολία πέσει πάνω σε μια φθορίζουσα οθόνη τότε η οθόνη φθορίζει.

Ο Cerenkov, εντούτοις, δεν πείστηκε ότι το φαινόμενο με το φως, που είχε παρατηρήσει το 1934, ήταν πραγματικά φθορισμός. Και από τα πρώτα πειράματά του φάνηκε ότι οι υποψίες του ήταν σωστές. Βρήκε, για παράδειγμα, ότι η ακτινοβολία ήταν ουσιαστικά ανεξάρτητη από τη σύνθεση του υγρού. Αυτό δεν συμφωνούσε με την εξήγηση περί φθορισμού. Αργότερα, έβαλε διπλά αποσταγμένο νερό για να απομακρύνει τυχόν ουσίες που να προκαλούν φθορισμό. Συνέχιζε όμως να παρατηρεί την γαλαζωπή ακτινοβολία.

Στην εργασία του διαπίστωσε ότι η ακτινοβολία ήταν "πολωμένη" κατά μήκος της κατεύθυνσης της εισερχόμενης ακτινοβολίας ραδίου και ότι αυτή ήταν τα γρήγορα δευτερογενή ηλεκτρόνια, που παράγονται από την τελευταία. Αυτά λοιπόν τα ηλεκτρόνια ήταν η αρχική αιτία της ορατής ακτινοβολίας. Για να το επιβεβαιώσει ακτινοβόλησε τα υγρά μόνο με ηλεκτρόνια από μια πηγή ραδίου.

Τις έρευνες του τις δημοσίευσε μεταξύ του 1934 έως το 1937 και ουσιαστικά επαλήθευσαν τις γενικές ιδιότητες της ακτινοβολίας Cerenkov. Εντούτοις, έλειπε ακόμη η μαθηματική περιγραφή του φαινομένου. Δύο όμως συνάδελφοι του Cerenkov στη Μόσχα, οι Frank και Tamm το 1937, εξήγησαν με μαθηματικό τρόπο, πώς μπορεί ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο όταν διέρχεται μέσω ενός υγρού να προκαλέσει την ακτινοβολία Cerenkov.

Το φαινόμενο αυτό μπορεί να συγκριθεί με ένα ανάλογο φαινόμενο που εμφανίζεται στον αέρα. Όταν δηλαδή ένα αεροπλάνο, που κινείται με ταχύτητα που υπερβαίνει τη ταχύτητα του ήχου στον αέρα, 340 m/sec, συνοδεύεται από ένα κώνο.

Οι συνθήκες που απαιτούνται για να σχηματιστεί ο αντίστοιχος κώνος ακτινοβολίας Cerenkov, όταν διαπερνά ένα φορτισμένο σωματίδιο ένα μέσο είναι να κινείται το σωματίδιο με ταχύτητα μεγαλύτερη από τη ταχύτητα του φωτός στο μέσον. Αυτό φυσικά δεν απαγορεύεται από τη θεωρία του Einstein γιατί δεν ξεπερνάει το όριο των 300.000 km/sec. Αυτή η ταχύτητα, όπως είναι γνωστό, είναι το όριο της ταχύτητας του φωτός στο κενό. Επειδή όμως η ταχύτητα του φωτός στο νερό είναι, περίπου, 225.000 km/sec, έτσι αν το σωματίδιο κινείται με 250.000 km/sec τότε δημιουργείται ένας κώνος ακτινοβολίας Cerenkov, και το υγρό λάμπει με ένα μαγικό φωτεινό μπλε, εξαιτίας της πολύ γρήγορης κίνησης των ηλεκτρονίων.

Συνήθως αυτή η ακτινοβολία φαίνεται σε έναν αντιδραστήρα ουράνιου, που περιέχει νερό και μάλιστα μπορούμε και να το φωτογραφίσουμε ακόμη.

Στην ανακάλυψη πολλών σωματιδίων η ακτινοβολία Cerenkov έπαιξε αποφασιστικό ρόλο. Για παράδειγμα η ανακάλυψη του αντιπρωτονίου το 1955, των μεσονίων, του νετρίνο και άλλων πολλών.