A fénynél sebesebben – a Cserenkov-sugárzásról Nagy Sándor honlapjára Nagy Sándor: Nukleáris Címszavak Glosszáriumába, melyhez ez a lap is tartozik A Tékába, mely ehhez hasonló animációkhoz/szimulációkhoz vezet Nagy Sándor webhelyén

Az első két Flash animáció szerzője Don Ion , a Flash Physics gazdája, aki szíves engedélyét adta az eredeti magyarításához és jelen felhasználásához. A harmadiké Remco Brantjes, akit sajnos nem sikerült felkutatnom, hogy engedélyt kérjek tőle.
The creator of the first two animations is Don Ion , owner of Flash Physics , who kindly permitted the translation of the original movie and also the present use.
The third one is from Remco Brantjes. Unfortunately, I have not been able to contact him to get his permission.

A Flash animációkkal következőket szeretném demonstrálni.

  1. A fénytörés értelmezésénél tanultuk (és most “láthatjuk” is), hogy a fény lassabban terjed egy n > 1 törésmutatójú közegben, mint a c fénysebesség vákuumban. Az utóbbi határt szab az m > 0 tömegű testek u sebességének. Azt azonban semmi nem tiltja, hogy egy ilyen test gyorsabban mozogjon egy közegben, mint a lelassult fény ugyanott: u > c/n. A β-elektronok pl. igen gyakran gyorsabbak a vízben, mint a fény maga.
  2. A fénynél gyorsabban haladó elektron kúpszerű elektromágneses torlóhullámot “tol” maga előtt a vízben (Cserenkov-sugárzás), mely ugyanolyan jellegű, mint a hangsebességnél gyorsabb szuperszonikus repülőgép hanghulláma.
  3. A Cserenkov-sugárzás nemcsak elvi jelentőségű, “önmagáért érdekes” jelenség, hanem a Cserenkov-detektorok működésének alapja, mellyel igen nagy sebességű részecskéket lehet észlelni. Közvetve ez a sugárzás teszi lehetővé a meghatározott irányból (pl. a Napból) érkező neutrínók megkülönböztetését a többi neutrínó közül, melyek át- meg átjárnak minket és a Földet minden irányból. Látni fogjuk, hogy a könnyebben eltérülő kis tömegű elektronok Cserenkov-csóvája bizonytalanabb, mint a ~200-szor nehezebb müonoké.

1. Fénytörés: a fény lassabban terjed, mint a c fénysebesség nagyító

Az animációról

A fénytörést magyarázó animáció merőleges beesési szöggel kezdődik, melyen jól látszik, hogy a kis törésmutatójú közegben (n = 1: vákuum vagy levegő) a hullámhegyek ritkásabban vannak, mint amikor átlépnek a nagyobb törésmutatójú közegbe
(n = 1,5 – pl. benzol – a vízé csak ~1,33). Ha megfigyeljük, a hullámfrontok sűrűsödése épp a fényhullámok sebességcsökkenésével függ össze.

2. Lökéshullámok kialakulása nagyító

A Ma (Mach-szám) a c hullámterjedési sebesség és az u hullámforrás-sebesség hányadosa: Ma = c / u. Érdemes végignézni az animáció egészét, de a legfontosabb az utolsó álló kocka, melynek egy rolloveres változatát a fény esetére adaptáltam.

Amit most lát, az a rollover kép

Rollover kép Húzzuk a kurzort a bal oldali képre, hogy a rollover előjöjjön!

Az animáció utolsó kockája.

Fedőkép: ugyanez fénnyel

u: fényforrás sebessége
c: fénysebesség vákuumban

n: a közeg törésmutatója
c/n: fénysebesség a közegben

Víz esetében a β > 0,75 azt jelenti, hogy a fénysebesség 3/4-ét elérő β-elektronok (l. alább ), már Cserenkov-sugárzást hoznak létre pl. egy reaktortartályban.

3. A Cserenkov-sugárzás és a napneutrínók

Az alábbi ábra szerint egy ~200 keV-es β-elektron már rendelkezik akkora sebességgel, hogy vízben Cserenkov-sugárzást hozzon létre. Ugyanúgy egy olyan elektron is, melyet egy napneutrínó taszított előre .

A Cserenkov-sugarak és a torlóhullám

Ezen az ábrán, akárcsak fentebb , δ jelöli a Cserenkov-sugárzással kapcsolatos lökéshullám kúpszögét. Vegyük észre, hogy maga a sugárzás a hullámfrontra merőlegesen előrefelé halad, az ε pótszög által meghatározott irányban. Minthogy pótszögek esetén: sin δ = cos ε, a Cserenkov-sugárzás feltételét az utóbbival is meg lehet adni (általában így is szokták):

|cos ε| ≤ 1.

“Értelmes” szög tehát csak akkor jön ki, ha

c/nu.

Az animáció forrása:

Müonok által keltett Cserenkov-sugárzás művészi animáción bemutatva. A változó színű sugarakat a golyókkal ábrázolt PMT-kkel (fényelektromos sokszorozókal) detektálják. Az itt felfelé haladó sugarak a fenti ábrán a lila fotonoknak felelnek meg.

Napneutrínók azonosítása a Földre érkező neutrínók szögeloszlásából a Nap irányához képest. A szögeloszlára közvetve lehet következtetni, ti. némelyik neutrínó ahhoz hasonlóan löki meg az elektront, ahogy egy γ-foton Compton-szóródást szenved. Csakhogy itt nem a szóródott neutrínót detektálják, hanem a meglökött elektront a Cserenkov-sugárzása alapján, melynek fénykúpja valamilyen “kúpszeletet” rajzol ki a vízzel töltött neutrínódetektort határoló fényelektromos sokszorozók (PMT-k) tömegében.
A Super-Kamiokande neutrínódetektor belseje a rengeteg PMT-vel. A fluoreszkáló PMT-k rajzolatából számítógéppel következtetnek az elektron mozgásirányára, ebből pedig meg lehet becsülni azt az irányt, amelyből az a neutrínó érkezett, melytől a lökést kapta. Az eredményt a grafikon mutatja, mely szerint a neutrínók egy jól meghatározott része (sárgított terület) a Nap felől jön, tehát napneutrínó.

Az elektronok és a müonok Cserenkov-effektusának összevetése Remco Brantjestől nagyító

A müon kb. 207-szer nehezebb az elektronnál. Mondjuk azt, hogy nagyobb tehetetlensége miatt jobb az “iránytartása”, ezért az előreirányuló Cserenkov-sugárkúp pontosabban kirajzolódik a Kamiokande Cserenkov-detektorainak sokaságán.


Vissza Nagy Sándor honlapjára. Releváns |tIt| kínálat: Nukleáris Glosszárium, Asimov Téka

Látogatószám 2013.02.22. óta:

site statistics