أثر تشيرنكوف

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

أثر تشيرنكوف

اثر تشيرنكوف

Cherenkov effect - Effet Cherenkov

أثر تشرنكوف

علي حينون

كواشف تشرنكوف وتطبيقاتها

الشكل (1) : أشعة تشرنكوف كما تبدو فوق قلب مفاعل طاقة نووي

الشكل (2) : مخروط تشرنكوف و زاويته

اكتَشف أثرَ تشرنكوف Cerenkov effect عام 1934م العالمُ السوفييتي باڤل تشرنكوف Pavel Cerenkov عند دراسته للآثار التي تخلفها الإشعاعات المؤينة لدى مرورها في الأوساط السائلة، وقد أهّله هذا للمشاركة في جائزة نوبل لعام 1958م. ويتجلى هذا الأثر على شكل وميض باهت الزرقة عندما تتحرك جسيمات مشحونة كهربائياً في وسطٍ سائل بسرعة تفوق سرعة الضوء فيه. ويلاحظ هذا الأثر بوضوح في حالة المفاعلات النووية المهدَّأة والمبرَّدة بالماء، التي يعزى فيها الأثر ليس إلى النترونات ذات الشحنة الحيادية بل إلى جسيمات بيتا الصادرة عن نواتج الانشطار(الشكل 1).

تفسيره وشروط ظهوره

يظهر هذا الأثر عند انتقال الجسيمات المشحونة في وسط سائل بسرعة تفوق سرعة الضوء في هذا الوسط. على سبيل المثال، يلاحظ أن سرعة الطور للضوء في الماء أقل بقَدْرٍ واضح من سرعة الضوء في الخلاء نظراً لقرينة انكسار الضوء في الماء والبالغة 1.3، حيث تعطى هذه السرعة بالعلاقة: . بالمقابل يمكن للجسيمات المشحونة الصادرة عن منبع مشع ضمن الماء أن تتحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء في الماء، (وبديهي أن هذه السرعة لن تكون أعلى من سرعة الضوء في الخلاء). ويتولد ضمن هذه الشروط داخل الماء إشعاعٌ ضوئي مائلٌ للزرقة ناجم عن قيام الجسيمات المشحونة بإثارة جزيئات الماء إلى مستَوَيات طاقية عالية، ما تلبث هذه الجزيئات أن تعود بعدها إلى حالتها المستقرة مصدرةً فوتونات

(كُمُوماً من الطاقة) في مجال الطيف الأزرق. ولما كانت هذه الجسيمات تتحرك بسرعة أعلى من سرعة الضوء في الماء، فإن بمقدورها أن تولد شلالاً من الفوتونات المترابطة في الطور، يمكنها أن تتداخل تداخلاً فعالاً لتولِّد توهجاً مرئياً من اللون الأزرق. وينتشر الضوء المتولد على شكل مخروط (الشكل 2)، يتمركز رأسه في الموضع الذي حصل فيه تفاعل الجسيمات مع الماء وزاويته معطاة بالعلاقة الآتية:

حيث β نسبة سرعة الجسيم إلى سرعة الضوء في الخلاء.

تشبه هذه العملية انتشار موجة الصدم المخروطية التي يولدها جسم يتحرك في الهواء بسرعة تفوق سرعة الصوت. ويعزى اللون الأزرق الصادر إلى أن عدد الفوتونات الصادرة إثر تهيج جزيئات الماء يتناسب عكساً مع طول الموجة المواكبة للفوتون، وهذا يعني هيمنة عدد الفوتونات ذات طول الموجة القصير على غيرها، وهذا ما يقود بدوره إلى انزياح الطيف نحو اللون الأزرق.

كواشف تشرنكوف وتطبيقاتها:

يستعمل أثر تشرنكوف على نطاق واسع في مجالي الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات للكشف عن آثار التفاعلات التي تترافق عادة وإصدار جسيمات مشحونة ذات سرعٍ عالية. كما يُستعمل في الكشف عن النترينو neutrinos والتفريق بين أنواعه المختلفة. وتتركز تطبيقات هذه الكواشف في المقام الأول في التحري عن نمط الجسيم الصادر وسرعته التي يمكن تقديرها بقياس زاوية مخروط تشرنكوف للجسيمات الصادرة. وهناك ثلاثة أنواع من كواشف تشرنكوف، هي كواشف العتبة threshold Cerenkov detectors التي تتألف من مضخمات ضوئية للكشف عن الجسيمات التي سرعتُها تفوق سرعة العتبة الضرورية لإحداث أشعة تشرنكوف، والكواشف التفاضلية differential Cerenkov detectors التي تتميز عن سابقتها بمقدرتها على الكشف عن مجال أوسع من سُرَع الجسيمات. أما النمط الثالث وهو أكثرها تعقيداً فيمثل كواشف المعالجة الحلقية ring-imaging Cerenkov detectors التي تستخدم مرايا كروية لتركيز مخروط أشعة تشرنكوف على شكل حلقة تحوي كواشف ضوئية حساسة. ويمثل عندها مركز الحلقة موضع الجسيم، على حين يقيس قطر الحلقة زاوية تشرنكوف، وهذا ما يسمح بحساب سرعة الجسيم.

مراجع للاستزادة:

- الفيزياء الحديثة للجامعات، الجزء الثاني، ترجمة قدورة وحصري وسمان، جامعة دمشق، 1973.