Fizik

Çerenkov (Cherenkov) Radyasyonu: Nükleer Reaktörlerden Gelen Ürkütücü Mavi

Korku filmlerinde, ürkütücü bir mavi ışığın çıktığı bir odaya girmek her zaman kötü bir fikirdir. Görünüşe göre, bu ürkütücü mavi ışık gerçek bir fenomen ile ilişkilidir ve buna Çerenkov ( Cherenkov) Radyasyonu ya da Çerenkov Işıması denir.

Çerenkov Radyasyonu İngiliz bilim insanı Oliver Heaviside tarafından 1800’lerin sonlarında kuramsal olarak tahmin edildi. Ardından 1904’te Alman fizikçi Arnold Sommerfeld durumu teorileştirdi. Ayrıca 1910’da Marie Curie, konsantre bir radyum çözeltisinde mavi bir ışık gözlemledi.

Pavel Alekseyeviç Cherenkov 1934 yılında Cherenkov ışımasını deneysel olarak tespit etti. İlya Frank ve İgor Tamm ile birlikte 1958 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

Işımanın bu isimle anılmasının nedeniyse ilk olarak Sovyet bilim insanı Pavel Cherenkov tarafından deneysel olarak tespit edilmesidir. Cherenkov radyasyonunun kuramsal açıklamasını ise sonraları Igor Tamm ve Ilya Frank yapacaktı. Cherenkov, Tamm ve Frank 1958 yılında bulguları sonucunda Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar.

Çerenkov Radyasyonu Nedir?

Cherenkov-radyasyonu
Resimde Idaho Ulusal Laboratuvarı’ndaki Gelişmiş Test Reaktöründe nükleer reaktörlerin içinde mavi bir parıltı olarak ortaya çıkan ışık patlamasını görüyorsunuz.

Işığın hızı ( c ) boşlukta sabit olarak saniyede 299.792.458 metredir. Özel görelilik kuramına göre hiçbir parçacığın bu hızı aşması mümkün değildir. Ayrıca sadece kütlesiz parçacıklar bu hızla hareket edecektir. Sonuçta kütleli bir parçacığın hızını c’ye çıkarmaksa sonsuz miktarda enerji gerektirdiği için yine mümkün değildir.

Ancak bu durum, kütleli bir parçacığın belirli bir ortamda ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceği anlamına gelmez. Çünkü ışık yoğun ortamların içine girdiğinde boşlukta olduğundan daha yavaş hareket etmeye başlar. Örneğin ışık suda saniyede 225.000.000 metreye ve camda saniyede yaklaşık 197.000.000 metreye kadar yavaşlar.

Bu, ışığın suda hareket ederken vakum hızında ulaştığı hızın sadece 3/4’ü oranında hareket ettiği anlamına gelir. Benzer bir biçimde camın içinden geçerken ışık, boşluktaki hızının 2/3’ü oranında hareket etmektedir. Nükleer reaksiyonlar sırasında ve parçacık hızlandırıcılarda, parçacıkların bu hızların ötesinde hızlandırılması mümkündür. Dolayısıyla elektronların, protonların ya da diğer kütleli parçacıkların yoğun ortamlarda ışıktan daha hızlı hareket etmiş olacaktır.

Çerenkov radyasyonu, elektrik yüklü bir parçacığın dielektrik (elektriksel olarak kutuplanabilen) bir ortamda ışığın o ortamdaki hızından daha hızlı hareket etmesi durumunda ortaya çıkan ışıktır. Çerenkov radyasyonuna bir benzetme, bir uçak ses hızından daha hızlı uçtuğunda oluşan sonik patlamadır.

Süpersonik uçuşun özelliklerinden biri, uçak ses hızını aştığında meydana gelen ‘sonik patlama’dır. Sonik patlamalar, insan kulağına bir patlama ya da gök gürlemesi gibi gelir. Muazzam miktarlarda ses enerjisi üretir.

Bir uçağın süpersonik yani ses hızından daha büyük hızlarla hareket ederken sebep olduğu gürültü yani ses dalgası uçağın kendisinden daha yavaş yol alır. Benzer biçimde ışıktan daha hızlı hareket eden elektrik yüklü bir parçacığın sebep olduğu Cherenkov ışıması da parçacığın kendisinden daha yavaş yol alır.

Nükleer Reaktördeki Su Neden Mavidir?

Çerenkov radyasyonu sudan geçerken, yüklü parçacıklar o ortamda ışıktan daha hızlı hareket eder. Yani, gördüğünüz ışık normal dalga boyundan daha yüksek bir frekansa (veya daha kısa dalga boyuna) sahiptir. Işığın farklı dalga boyları, onları farklı renkte algılamamıza yardımcı olur. Yani dalga boyu aslında ışığın rengini belirler. Kısa dalga boyu da mavi gözükür.

“Ama neden hiç ışık yok?” diye de düşünebilirsiniz. Bunun nedeni, hızlı hareket eden yüklü parçacığın su moleküllerinin elektronlarını harekete geçirmesidir. Bu elektronlar enerjiyi emer ve dengeye döndüklerinde onu fotonlar (ışık) olarak salarlar. Normalde, bu fotonlardan bazıları birbirini yok eder. Dolayısıyla bir parıltı görmezsiniz. Ancak parçacık, ışığın suda ilerleyebileceğinden daha hızlı hareket ettiğinde, şok dalgasının sonucu olarak mavi parlamayı görürsünüz.

Çerenkov Radyasyonunu Günümüzde Nerede Kullanıyoruz?

Yüksek enerjili bir kozmik ışın atmosfere çarptığında bir elektron- pozitron çiftinin oluşmasına sebep olacaktır. Bu parçacıkların sebep olduğu Çerenkov radyasyonunu gözlemleyerek kozmik ışının enerjisi ve yönü belirlenir. Gökbilimde çok yüksek enerjili ışık yayan gökcisimlerinin özelliklerini belirlemek için de Cherenkov tekniği kullanılır.

Diğer bir deyişle, Çerenkov radyasyonu ayrıca parçacık fiziği deneylerindeki parçacıkları tanımlamak, nötrinoları saptamak ve süpernova kalıntıları gibi gama ışını yayan astronomik nesneleri incelemek için kullanılmaktadır. Ancak günümüzde bunlar haricinde de bir kullanım yeri bulmuş durumdadır.

Araştırmacılar geçtiğimiz aylarda, Cherenkov radyasyonunu kullanarak kanseri tespit etmek için uygun maliyetli bir yöntemi başarıyla geliştirdiler. Bu yöntem, düşük maliyeti nedeniyle, kanser tespit teknolojilerindeki boşlukları kapatmaya yardımcı olabilir.



Kaynaklar ve ileri okumalar


Dip Not:

Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu