Tšerenkovi kiirgus

Tšerenkovi kiirgus ehk Tšerenkovi efekt ehk Tšerenkovi-Vavilovi kiirgus ehk Vavilovi-Tšerenkovi kiirgus ehk Vavilovi-Tšerenkovi efekt on elektromagnetkiirgus, mis lähtub laetud osakestelt (näiteks elektronidelt), mis läbivad dielektriku keskkonda konstantse kiirusega, mis on suurem kui valguse faasikiirus (valguslainete levimise kiirus) selles keskkonnas.
See on saanud nime selle 1934. aastal eksperimentaalselt avastanud Pavel Tšerenkovi järgi. Tema teaduslik juhendaja Sergei Vavilov jõudis esimesena järeldusele, et Tšerenkovi täheldatud efekti põhjustavad kiired elektronid. Tšerenkov ning Ilja Frank ja Igor Tamm, kes andsid nähtusele klassikalisel elektrodünaamikal põhineva teoreetilise seletuse, pälvisid selle eest 1958 Nobeli füüsikaauhinna. Nähtust olid teoreetiliselt ennustanud Oliver Heaviside 1888–1889 avaldatud artiklites ning Paul Sommerfeld 1904, kuid pärast erirelatiivsusteooria loomist ei võetud seda mõtet tõsiselt, sest tundus, nagu oleks valguse kiirusest kiiremini liikumine erirelatiivsusteooria järgi võimatu.
Kitsamas mõttes nimetatakse Tšerenkovi kiirguseks helesinist helendust, mida tekitab kiirete elektronide liikumine läbi vee. See on vaadeldav näiteks basseinreaktorites ja tuumajaamade kasutatud tuumkütuse basseinides. Kiired elektronid vabanevad seal osalt beetakiirgus, osalt vabanevad aatomikatetest neutronite ja gammakvantide kokkupõrkel.
Tšerenkovi kiirgust kasutatakse suurte energiate füüsikas laialdaselt relativistlike laetud osakeste registreerimiseks ja nende kiiruse määramiseks.

Avastuslugu

Aastal 1934 uuris Pavel Tšerenkov Sergei Vavilovi laboratooriumis vedelike luminestsentsi gammakiirguse toimel ning avastas nõrga helesinise helenduse, mida tekitasid gammakiirguse poolt keskkonna aatomitest välja löödud elektronid. Hiljem selgus, et need elektronid liikusid kiiremini valguse kiirusest selles keskkonnas.
Juba Tšerenkovi esimesed eksperimendid selle nähtusega, mida ta tegi Vavilovi algatusel, selgitasid välja rea selle kiirguse iseloomulikke omadusi: helendus on täheldatav kõikides puhastes läbipaistvates vedelikes, kusjuures selle heledus sõltub vähe nende keemilisest koostisest, kiirgusel on polariseeritus elektrivektori orientatsiooniga põhiliselt piki algse kimbu suunda, seejuures ei täheldata erinevalt luminestsentsist kustumist ei temperatuuri ega lisandite toimel. Nende andmete põhjal väitis Vavilov, et avastatud nähtus ei ole vedeliku luminestsents, vaid valgust kiirgavad selles kiired elektronid.
Teoreetilise seletuse klassikalise elektrodünaamika põhjal andsid nähtusele Igor Tamm ja Ilja Frank 1937. V. L. Ginzburg esitas 1940 nähtuse kvantteooria. 
Aastal 1958 said Tšerenkov, Tamm ja Frank Nobeli füüsikaauhinna "Tšerenkovi efekti avastamise ja tõlgendamise eest". Manne Siegbahn Rootsi Kuninglikust Teaduste Akadeemiast ütles auhinnatseremoonial peetud kõnes: "Praegu Tšerenkovi efektina tuntud nähtuse avastamine on huvitav näide, kuidas suhteliselt lihtne füüsikaline tähelepanek võib õige lähenemise korral viia tähtsate avastusteni ning rajada tee edasiseks uurimistööks."

Kiirguse mehhanism ja geomeetria

Erirelatiivsusteooria järgi ei saa mitte ükski materiaalne keha, ka mitte suure energiaga elementaarosakesed, liikuda kiiremini valguse kiirusest vaakumis. See aga ei käi valguse kiiruse kohta läbipaistvates keskkondades. Näiteks klaasis või vees levib valgus kiirusega, mis moodustab 60–70% valguse kiirusest vaakumis, ja miski ei keela kiirel osakesel (näiteks prootonil või elektronil) liikumist kiiremini valguse kiirusest selles keskkonnas.
1934. aastal tegi uuris Pavel Tšerenkov vedelike luminestsentsi gammakiirguse toimel ning avastas helesinise helenduse (mida praegu nimetatakse tema järgi), mida tekitasid kiired elektronid, mida gammakiirgus aatomitest välja lõi.
Pisut hiljem selgus, et need elektronid liikusid kiiremini kui valguse kiirus keskkonnas. See on otsekui ülehelikiirusega lendava lennuki poolt atmosfääris tekitatud lööklaine (ülehelipauk) optiline ekvivalent. Seda nähtust võib kujutleda analoogia põhjal Huygensi lainetega (elementaarlainetena), mis Huygensi printsiibi järgi levivad valguse kiirusega keskkonnas antud keskkonnas väljapoole kontsentriliste sfääridena, kusjuures iga järgmine laine lähtub järgmisest punktist osakese trajektooril. Kui osake lendab kiiremini valguse levimise kiirusest keskkonnas, siis ta jõuab lainetest ette. Nende lainete amplituudide tipud moodustavadki Tšerenkovi kiirguse lainefrondi.
Kiirgus levib koonusena ümber osakese trajektoori. Nurk koonuse tipus sõltub osakese kiirusest ja valguse kiirusest keskkonnas. Just see teebki Tšerenkovi kiirguse nii kasulikuks osakestefüüsikas, sest nurga järgi koonuse tipus saab arvutada osakese kiiruse.

Tšerenkovi kiirgus looduses

Tavaliselt arvatakse, et ookeanipõhjas on täielik pimedus, sest päikesevalgus sinna ei jõua. Ent ka kõige sügavam vesi helendab nõrgalt radioaktiivsete isotoopide (sealhulgas kaalium-40) lagunemisest tingitud Tšerenkovi kiirgusega. On oletatud, et süvaveeloomadel on tarvis suuri silmi, et nii nõrgas valguses näha.