Bức xạ Cherenkov

Bức xạ Cherenkov (cg. hiệu ứng Cherenkov) là một hiệu ứng vật lý học trong đó các hạt tích điện chuyển động trong một môi trường vật chất với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường đó và phát ra bức xạ điện từ.

Bức xạ Cherenkov được nhà Vật lý P.A. Cherenkov (Nga) phát hiện đầu tiên năm 1934 khi ông nghiên cứu sự phát sáng của các chất lỏng dưới tác dụng của tia gamma của chất phóng xạ radi. Trong các thí nghiệm đó, Cherenkov đã nhìn thấy ánh sáng màu lam có cường độ nhỏ, độ chói của nó ở các chất lỏng trong suốt tinh khiết ít phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất lỏng. Bức xạ này được quan sát ở một góc nhất định (cụ thể là hình nón theo hướng chuyển động của các hạt tích điện). Ban đầu, nhiều người cho rằng, đó chỉ là hiện tượng phát sáng thông thường, bởi vì sự phát sáng gây ra bởi các tia phóng xạ đã được biết từ trước. Theo đề nghị của Cherenkov, nhà Vật lý S.I. Vavilov (Nga) đã thực hiện một loạt thí nghiệm để làm sáng tỏ bản chất của sự phát sáng của các chất lỏng tinh khiết do tác dụng của tia phóng xạ gamma. Từ các kết quả thí nghiệm của mình, Vavilov đã đi tới kết luận là: hiệu ứng Cherenkov không phải là hiện tượng phát sáng thông thường, mà nguồn phát sáng chính là các electron nhanh tạo bởi tia gamma. Một loạt các công trình tiếp theo của Cherenkov đã khẳng định kết luận đó.

Như vậy, hiệu ứng Cherenkov là sự phát sáng xảy ra khi các hạt tích điện chuyển động trong môi trường vật chất với tốc độ lớn hơn tốc độ truyền sóng ánh sáng (tốc độ pha) trong môi trường đó. Bởi vì tốc độ pha của ánh sáng là $u={\frac {c}{n}}$ (với $c$ là tốc độ của ánh sáng trong chân không và $n$ là chiết suất của môi trường), nên điều kiện xuất hiện bức xạ Cherenkov là tốc độ $v$ của hạt tích điện phải thỏa mãn yêu cầu:

$v>u,{\text{hay}}\ \beta n>1\ ({\text{với}}\ \beta ={\frac {c}{n}})$

(1)

Theo điều kiện (1), nếu môi trường có chiết suất 𝑛 lớn, thì hiệu ứng Cherenkov vẫn có thể xảy ra với hạt tích điện có tốc độ không lớn. Vì vậy, trong các chất lỏng và chất rắn, hiệu ứng Cherenkov xuất hiện ở các hạt tích điện có năng lượng nhỏ so với chất khí. Ví dụ đối với các electron trong các chất ngưng tụ, điều kiện (1) được thỏa mãn đối các electron có năng lượng khoảng 100 nghìn electron-von. Vì vậy, các electron có tốc độ rất lớn xuất hiện trong các quá trình phóng xạ có khả năng cho hiệu ứng Cherenkov. Vì các proton có khối lượng lớn hơn rất nhiều so với khối lượng electron, nên để chúng thu được tốc độ thỏa mãn điều kiện (1) thì năng lượng của các proton phải vào cỡ 100 triệu eV. Các hạt chuyển động nhanh của tia vũ trụ có thể gây ra hiệu ứng Cherenkov trong không khí.

Tính chất đặc trưng nhất của bức xạ Cherenkov là tính định hướng của nó. Bức xạ Cherenkov được phát ra không phải theo mọi hướng, mà chì theo các hướng tạo thành một góc nhọn $\theta$ với quỹ đạo của hạt tích điện, gọi là góc phát xạ, có giá trị hoàn toàn xác định. Như vậy, bức xạ Cherenkov được phát ra dọc theo một mặt nón có góc mở $\theta$, mà trục của nó trùng với phương chuyển động của hạt tích điện. Thực nghiệm chứng tỏ góc phát xạ $\theta$ thỏa mãn hệ thức:

$cos\theta ={\frac {1}{n\beta }}$

(2)

Các nhà Vật lý I.Y. Tamm và I.M. Franck (Nga) năm 1937 đã giải thích được hiệu ứng Cherenkov dựa trên điện động lực học và các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Ba nhà Vật lý P.A. Cherenkov, I.Y. Tamm và I.M. Franck đã được giải Nobel Vật lý năm 1958 về công trình này.

Bức xạ Cherenkov được ứng dụng để làm ống đếm Cherenkov. Ống đếm này dùng để ghi các hạt “siêu ánh sáng”, tức là các hạt có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không, vd. như các hạt tích điện thu được ở các máy gia tốc lớn, hoặc trong tia vũ trụ. Việc đo góc phát xạ $\theta$ cho phép ta xác định được tốc độ và năng lượng của các hạt tích điện với độ chính xác rất lớn. Chẳng như khi ghi các proton có năng lượng $320MeV$ nhờ ống đếm Cherenkov, năng lượng của chúng được xác định chính xác tới $0,8MeV$.

Bức xạ Cherenkov được ứng dụng trong thiên văn học. Các chớp sáng yếu của Bức xạ Cherenkov phát ra khi các hạt năng lượng cao của tia vũ trụ đi vào khí quyển Trái đất. Các đài thiên văn có thiết bị được thiết kế đặc biệt ghi nhận bức xạ đó, cung cấp cho ta các thông tin về nguồn gốc của tia vũ trụ và về một số hiện tượng xảy ra với các hạt có năng lượng rất cao trong tự nhiên.

Tài liệu tham khảo

• Otto Oldenberg, Norman C. Rasmussen, Modern Physics for Engineers, McCraw – Hill Companies, New York, 1986.
• J.P. Mathieu, A. Kastler, P. Fleury, Dictionnaire de Physique, Masson-Eyrolles, Paris, 1991.
• Dương Trọng Bái, Vũ Thanh Khiết (đồng chủ biên) và nhóm tác giả, Từ điển giáo khoa Vật lí, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2007.