チェレンコフ放射

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アメリカ/アイダホ国立研究所内にある新型実験炉で観測されたチェレンコフ放射の例

チェレンコフ放射(チェレンコフほうしゃ、Čerenkov radiation、Cherenkov radiation)とは、荷電粒子が物質中を運動する時、荷電粒子の速度がその物質中の光速度よりも速い場合に光が出る現象。チェレンコフ効果ともいう。このとき出る光をチェレンコフ光、または、チェレンコフ放射光と言う。

この現象は、1934年パーヴェル・チェレンコフにより発見され、チェレンコフ放射と名付けられた。その後、イリヤ・フランクイゴール・タムにより、その発生原理が解明された。これらの功績により、この3名は1958年ノーベル物理学賞を受けた[1]

物理的原理[編集]

相対論真空中の光速がどんな場合にも一定(c)であると仮定しているが、物質中を伝播する光の速度は、cよりもかなり遅くなる。たとえば、中の伝播速度は0.75cにすぎない。粒子は、核反応粒子加速器などによって加速され、この速度を超えることが可能である。チェレンコフ放射は、荷電粒子(たいていは電子)が(絶縁された)誘電体を、光よりも速い速度で通過するときに放射される。

このときの光の速度というのは、群速度ではなく位相速度である。位相速度は、周期的媒質を用いることで劇的に変えることができ、このとき最小粒子速度に達さなくともチェレンコフ放射を観測することができる(これはスミス-パーセル効果として知られている)。フォトニック結晶などの複雑な周期的媒質においては、チェレンコフ放射のさまざまな特異的ふるまいをみることができる。たとえば後方への放射などである(通常は粒子速度の鋭角方向に放射する)。

絶縁された媒質中を荷電粒子が通過するとき、媒質の原子中の電子は荷電粒子の場によって局所的に乱され偏極が起きる。粒子が通過したあとに媒質中の電子が再び平衡状態に戻るとき光子が放射されるが(伝導体においては、光子を放射することなく平衡状態に戻る)、通常の場合、この光子は破壊的に干渉しあい、放射は検出されない。しかし場の乱れが光子よりも速いとき、すなわち荷電粒子が媒質中の光速よりも速いとき、光子は創造的に干渉しあい、観測される放射強度は増幅される。

チェレンコフ放射は、しばしば飛行機弾丸超音速で移動するときに発生するソニックブームに喩えられる。超音速の物体によって発生する音波は、十分な速度がないため、物体自身から離れることができない。そのため音波は蓄積され、衝撃波面が形成される。

同じようにして、荷電粒子も絶縁体を通過するときに、光子の衝撃波を生成することができる。

チェレンコフ放射の図解

図において、粒子(赤い矢印)は速度で物質中を通過する。ここでは、粒子の速度と真空中の光速との比をと定義する。を物質の屈折率とすると、放射される電磁波(青い矢印)の伝播速度はとなる。

三角形の左の頂点は、ある初期時点()における粒子の位置をあらわす。右の頂点は、ある時間における粒子の位置をあらわす。あるが与えられた場合、粒子の移動距離は

であり、放射電磁波の移動距離は

となる。ゆえに、放射角は

となる。

応用[編集]

粒子物理学[編集]

小柴昌俊によるカミオカンデスーパーカミオカンデなどでは、円錐状に広がるチェレンコフ光を捕らえることによりさまざまな研究を行う。そのチェレンコフ光がニュートリノにより散乱された電子により発生したのであれば、チェレンコフ光の観測結果から電子の運動方向や速度が分かり、それらからニュートリノの飛来方向などを計算することができ、ニュートリノが観測できる。

臨界事故[編集]

チェレンコフ光の例としては、原子力発電所の燃料が入ったプールの中で見える青白い光がある。東海村JCO臨界事故チェルノブイリ原発事故で「青白い光を見た」と作業員が言ったので、臨界事故の確認がとれた。 なお、東海村JCO臨界事故で見えた光がチェレンコフ光であったか別現象であったかについては、臨界事故の記事に考察がある。

使用済み核燃料棒[編集]

チェレンコフ放射光は、核分裂連鎖反応が止まった後も、短命の製品が減衰するように減光しながら輝き続ける。同様に、チェレンコフ放射は、使用済み核燃料棒の残留放射能を詳述る。

関連項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ Cherenkov, Pavel A. (1934). “Visible emission of clean liquids by action of γ radiation”. Doklady Akademii Nauk SSSR 2: 451.  Reprinted in Selected Papers of Soviet Physicists, Usp. Fiz. Nauk 93 (1967) 385. V sbornike: Pavel Alekseyevich Čerenkov: Chelovek i Otkrytie pod redaktsiej A. N. Gorbunova i E. P. Čerenkovoj, M.,"Nauka, 1999, s. 149-153. (ref)