Işık Hızı Aşıldığında: Cherenkov Işıması

Cherenkov ışıması (Cherenkov radyasyonu) özellikle nükleer reaktör çekirdeklerinde gözlemlenen mavi renkli bir ışıktır. Bu fenomen adını kaşifi olan Pavel Cherenkov'dan ve ışığın elektromanyetik radyasyon olmasından alır. Cherenkov'un bu buluşu ona 1958 yılında Nobel ödülünü getirmiştir.⁽¹⁾

Nükleer tepkimeler sonucunda etrafında açığa çıkan yüksek hızlı yüklü parçacıkların, reaktör çekirdeğini çevreleyen su ile girdiği etkileşim nedeniyle ortaya çıkar. Bir madde içerisindeki ışık hızının aşıldığı başka durumlarda da gözlemlenebilir. Peki ışık hızı aşılabilir mi? Işık hızı aşılamıyorsa Cherenkov Radyasyonu nasıl oluşur?

Işık boşlukta 299,792,458 m/s (saniyede yaklaşık 300,000 kilometre) hızla ilerler. Bu hız bir fiziksel sabit olarak c ile ifade edilir ve c hızının aşılması mümkün değildir. Ancak hava, su, veya içinden geçebildiği daha yoğun maddeler içerisinde ışığın hızı yavaşlar. Bu durumda bir maddenin içerisinde -c hızını aşmamak koşuluyla- ışıktan daha hızlı giden parçacıklar bulunabilir.

2 boyutlu düzlemde örnek vermemiz gerekirse suya atılan bir taş etrafında dalgalar oluşturur. Taşın atıldığı nokta belirli aralıklarla ilerletilirse dalgalarda taşın atıldığı yöne doğru sıkışmaya başlar. Taşın atıldığı nokta, taşın oluşturduğu dalganın hızıyla aynı hızda değiştirilirse, dalga bir tarafta sıkışmaya başlar.

 

Dalganın hızı aşıldığında, hızı aşan kaynak artık arkasında üçgen bir dalga cephesiyle ilerler. Teknelerin arkasında üçgen dalgaların oluşmasının sebebi budur.

Savaş uçakları da ses hızını aştıklarında 3 boyutlu üçgen yani konik bir dalga oluşturmaya başlarlar.

Bir sıvının içinden ışık hızından daha hızlı giden parçacıklar geçtiğinde, denizdeki teknenin oluşturduğu su dalgası veya ses hızını aşan uçağın oluşturduğu ses dalgası yerine, elektromanyetik dalga yani ışık oluşur. (Resim: Argonne National Laboratory, "Advanced Test Reactor core, Idaho National Laboratory" (2009))

İşin biraz fiziğinden söz edecek olursak, Cherenkov radyasyonunun oluşması için ortamın dielektrik ve hızlı parçacıkların yüklü olması gerekir.⁽²⁾ Mavi ışığın gözlendiği nükleer reaktör çekirdeklerinin etrafında su bulunur. Su, iki hidrojen ve bir oksijen atomu içeren polar moleküllerden oluştuğu için dielektriktir bir maddedir. Su nükleer reaktörleri soğutmak, fisyon tepkimelerinden açığa çıkan nötron parçacıklarını yavaşlatmak ve zincirleme nükleer reaksiyonu devam ettirmek için kullanılır. Fisyon tepkimelerinden aynı zamanda Beta parçacıkları -yüksek hızlık elektron veya pozitron- açığa çıkar. İşte açığa çıkan bu beta parçacıkları, suda yayılarak Cherenkov radyasyonuna neden olur.

Nükleer reaktörlerde doğal olarak gerçekleşen bu etki, reaktördeki tepkimenin yoğunluğunu veya kullanılmış nükleer yakıt çubuklarının radyoaktivitesini ölçmek için kullanılmaktadır. Bunun dışında biyomedikal görüntüleme alanında da kullanılması için araştırmalar yapılmaktadır.

Cherenkov radyasyonu astrofizik araştırmalarında bir nevi parçacık dedektörü olarak da kullanılır. Yüksek enerjili kozmik ışınların atmosfer ile girdiği etkileşimlerden açığa çıkan ve dünya yüzeyine inen parçacıklar gözlemevlerinde Cherenkov etkisinden faydalanılarak tespit edilebilir. Örnek olarak HAWC (High Altitude Water Cherenkov Experiment) deneyinde uzaydan gelen yüksek enerjili parçacıkların ölçümü için her biri 188 ton su ile dolu 300 havuz kullanılmaktadır.⁽³⁾

Günlük hayatta karşımıza çıkması pek mümkün olmayan bu etki yaydığı büyüleyici mavi ışığın yanısıra fizikçilerin deney ve gözlemlerinde faydalandıkları doğal bir fenomendir.

Kaynaklar
[1] https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1958/cerenkov-bio.html
[2] http://icecube.wisc.edu/~tmontaruli/801/lect10.pdf
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/High_Altitude_Water_Cherenkov_Experiment

Diğer Kaynaklar
https://www.youtube.com/watch?v=_Kf2f_9MfPc
https://www.youtube.com/watch?v=x4Ir6E4IG64