Wiele osób zapewne pamięta z lekcji fizyki, że prędkość światła w próżni (300000 km/s) jest prędkością absolutną. Mając to na uwadze, można by uznać, że złamanie bariery prędkości światła jest możliwe wyłącznie w produkcjach z gatunku sci-fi. Cóż, nie do końca. Bo o ile nie da się osiągnąć prędkości wyższej od absolutnej, to należy podkreślić, że w ośrodkach innych niż próżnia światło porusza się wolniej, więc jest możliwe, by jakiś obiekt osiągnął większą prędkość. Gdy do tego dochodzi, generowane jest promieniowanie Czerenkowa, będące czymś w rodzaju optycznego odpowiednika gromu dźwiękowego.

Czym jest promieniowanie Czerenkowa?

Promieniowanie Czerenkowa jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Powstaje w sytuacji, w której naładowana cząstka (jak choćby elektron), porusza się w danym ośrodku materialnym z prędkością większą niż wynosi prędkość fazowa światła w tymże ośrodku.

Swoją nazwę opisywane zjawisko zawdzięcza fizykowi Pawłowi Aleksejewiczowi Czerenkowowi. Radziecki naukowiec zaobserwował ten efekt w 1934 roku, gdy pracował w laboratorium kierowanym przez Siergieja Wawiłowa. W 1937 roku Igor Tamm i Ilja Frank zinterpretowali naturę tego zjawiska. Za odkrycie i opisanie efektu Czerenkowa wszyscy trzej badacze otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki (w 1958 roku).

W tym miejscu warto przypomnieć, że o ile odkrycie i interpretacja promieniowania Czerenkowa jest zasługą radzieckich naukowców, to Oliver Heaviside, angielski fizyk, przewidział występowanie tego efektu już w 1888 roku. 

Jak powstaje promieniowanie Czerenkowa?

Co dzieje się, gdy mająca ładunek elektryczny cząstka przekracza prędkość fazową światła w dielektrycznym ośrodku? W każdej fazie jej ruchu emitowana jest fala kulista, a atomy znajdujące się w pobliżu toru jej przemieszczania się ulegają polaryzacji. Po przelocie cząstki powracają do pierwotnego stanu i emitują przy tym kwant energii. W rezultacie następuje emisja światła niebieskiego i powstaje charakterystyczna poświata.

Gdzie można zaobserwować promieniowanie Czerenkowa?

Efekt Czerenkowa występuje w reaktorach jądrowych i wodnych przechowalniach paliwa jądrowego. Każdy, kto miał okazję obserwować taką instalację, z całą pewnością zauważył, że reaktor świeci na niebiesko. Charakterystyczna, wyglądająca nieco tajemniczo poświata nie jest efektem sztucznego oświetlenia, a optyczną postacią odkrytego przez Pawła Czerenkowa promieniowania elektromagnetycznego.

Produktem reakcji, które zachodzą w reaktorze atomowym, są wysokoenergetyczne cząsteczki przenikliwe. Gdy dostają się do chłodziwa reaktora, generują promieniowanie elektromagnetyczne. W rezultacie woda chłodząca rdzenie świeci niebieskim światłem.

Gdzie można zobaczyć efekt Czerenkowa?

Taki efekt występuje przede wszystkim w elektrowniach atomowych, ale nie tylko. Zjawisko promieniowania elektromagnetycznego wyzwalanego przez pędzące cząsteczki można na własne oczy zobaczyć także w Polsce. 

W naszym kraju działa tylko jeden reaktor jądrowy – MARIA (nazwany na cześć Marii Skłodowskiej-Curie). Uruchomiony w 1974 roku wysokostrumieniowy reaktor basenowy typu kanałowego jest dostępny dla zwiedzających. Dzięki temu każdy na własne oczy może przekonać się, jak efektownie wygląda promieniowanie Czerenkowa.

Praktyczne zastosowanie promieniowania Czerenkowa

Co w świecie nauki zmieniło odkrycie radzieckiego fizyka? Całkiem sporo. Promieniowanie Czerenkowa jest wykorzystywane w fizyce cząstek elementarnych, gdzie znajduje zastosowanie w licznikach do detekcji i wyznaczania prędkości naładowanych, wysokoenergetycznych cząstek.

Promieniowanie Czerenkowa w astrofizyce

Kolejnymi dziedzinami, na które wpłynęło opisywane zjawisko, są astronomia i astrofizyka. Dzięki promieniowaniu Czerenkowa astronomowie zyskali możliwość dokładniejszej obserwacji Wszechświata. Jak to możliwe?

Ziemska atmosfera blokuje promieniowanie gamma, jednak kiedy wysokoenergetyczna cząstka przedostaje się do niej, w końcu zaczyna „grzęznąć”. Nadal dysponuje jednak energią, która pozwala tworzyć pary cząstek. Powstałe w ten sposób elektrony i antyelektrony poruszają się szybciej, niż wynosi fazowa prędkość światła, więc generują promieniowanie elektromagnetyczne. Analiza tego zjawiska pośrednio daje możliwość przeanalizowania blokowanego promieniowania gamma.

Efekt Czerenkowa w medycynie

Promieniowanie Czerenkowa może także wpłynąć na usprawnienie leczenia chorób nowotworowych. Naukowcy z Norris Cotton Cancer Center w Dartmouth ustalili, że dzięki pomiarowi światła niebieskiego i ultrafioletowego, emitowanego przez ciało człowieka w trakcie radioterapii, możliwe jest precyzyjniejsze obliczenie dawki promieniowania jonizującego. To może poprawić skuteczność leczenia i ograniczyć skutki uboczne terapii.