체렌코프 효과

3. 물리적 원리

전기역학에 따르면, 진공 상태에서의 빛의 속도는 보편적인 상수(''c'')이다. 하지만 빛이 다른 매질 내에서 전파되는 속도는 ''c''보다 상당히 낮을 수 있다. 예를 들어, 물속에서의 빛 전파 속도는 0.75c에 불과하다. 물질은 핵반응이나 입자 가속기를 통해 이보다 더 빠르게 가속될 수 있지만, 여전히 ''c'' 미만의 속도를 갖는다. 체렌코프 효과는 대전 입자, 주로 전자가 그 매질에서의 광속보다 더 빠른 속도로 유전체 (전기적으로 분극 가능한) 매질을 통과할 때 발생한다.

여기서 말하는 빛의 속도는 빛의 군속도가 아닌 위상 속도이다. 위상 속도는 주기적인 매질을 사용하면 극적으로 바뀔 수 있으며, 이 경우 최소 입자 속도에 도달하지 않더라도 체렌코프 효과를 관찰할 수 있다. (스미스-퍼셀 효과) 광자 결정 등의 복잡하고 주기적인 매질에서는 역방향 방사선과 같은 특이하고 다양한 체렌코프 효과를 관찰할 수 있다. (일반적으로 체렌코프 효과는 입자 속도의 예각 방향으로 방사됨)^[40]

3. 1. 역 체렌코프 효과

3. 2. 방사각

• 입자의 속도와 빛의 속도 사이의 비율을 β = v_p/c 로 정의한다.
• 방출된 전자기파(파란색 화살표)는 v_em = c/n 의 속도로 이동한다.

4. 특징

체렌코프 복사의 주파수 스펙트럼은 프랑크-탐 공식으로 주어진다. 이 공식은 체렌코프 복사에서 방출되는 에너지의 양을 나타낸다. 형광이나 자극 방출 전자기 스펙트럼과는 달리, 체렌코프 복사는 연속적인 스펙트럼을 가진다. 가시광선 영역에서 단위 주파수당 상대적 강도는 주파수에 대략 비례한다. 즉, 체렌코프 복사에서는 더 높은 주파수(더 짧은 파장)가 더 강하다. 이 때문에 가시적인 체렌코프 복사는 밝은 푸른색으로 관찰된다. 사실, 대부분의 체렌코프 복사는 자외선 스펙트럼에 있으며, 충분히 가속된 전하에서만 가시광선이 된다.^[22][23]

일정 조건에서$\backslash cos\backslash theta\; =\; 1/(n\backslash beta)$를 더 이상 만족할 수 없는 차단 주파수가 존재한다. 굴절률 $n$은 주파수에 따라 달라지며, 매우 상대론적인 입자에서도 강도가 계속해서 짧은 파장에서 증가할 수 없게 된다. X선 주파수에서 굴절률은 1보다 작아지므로, X선 방출은 일반적으로 관찰되지 않는다. 그러나 물질의 핵심 전자 전이에 해당하는 주파수 바로 아래의 특정 주파수에서 X선이 생성될 수 있다.

음속 폭음과 활 충격파와 마찬가지로, 충격 원뿔의 각도는 교란의 속도와 직접적인 관련이 있다. 체렌코프 각도는 체렌코프 복사 방출에 대한 임계 속도에서 0이다. 각도는 입자 속도가 빛의 속도에 접근함에 따라 최대값을 갖는다. 따라서 관찰된 입사각을 사용하여 체렌코프 복사를 생성하는 전하의 방향과 속도를 계산할 수 있다.

체렌코프 복사는 하전 입자가 유리체에 부딪혀 섬광의 인상을 주는 눈에서 생성될 수 있으며, 우주선 시각 현상과 일부 임계 사고 관측에서도 발생할 수 있다.^[22][23]

5. 응용

체렌코프 효과는 다양한 분야에서 활용되고 있다.
생체 분자 검출체렌코프 복사는 소량 및 낮은 농도의 생체 분자를 감지하는 데 사용된다.^[24] 인-32와 같은 방사성 원자를 이용하여 생체 분자의 이동 경로와 상호작용을 파악할 수 있다.
의료 영상체렌코프 빛은 체내 물질을 영상화하는 데 사용된다.^[25][26][27] 방사성의약품이나 방사선 치료에서 발생하는 빛 신호를 이용하여 종양 등을 진단할 수 있다. 양전자 방출 핵종인 ¹⁸F 등이 체렌코프 방출을 보이며, ¹⁸F 및 ¹³¹I 동위원소는 인체 영상화에 사용되어 진단적 가치를 입증했다.^[29][30]
원자력 발전

5. 1. 생체 분자 검출

5. 2. 의료 영상

5. 3. 원자력 발전

5. 4. 천체 물리학

5. 5. 입자 물리학

참조

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_[36] 논문 Visible emission of clean liquids by action of γ radiation
_[37] 문서 대체 가능한 철자 : Cherenkov, Čerenkov, Cerenkov, 그리고 Vavilov, Wawilow.
_[38] 논문 Visible Emission of Clean Liquids by Action of γ Radiation http://dbserv.ihep.s[...]
_[39] 서적 Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age https://books.google[...]
_[40] 저널 Cerenkov Radiation in Photonic Crystals http://www-math.mit.[...]