שאלה זו גם עונה על השאלה האם קיימת תופעה של "בום על-אורי" כפי שקיימת תופעת הבום העל קולי בגלי קול?
קרינת צ'רניקוב הינה למעשה קרינה אלקטרומגנטית שנפלטת כאשר חלקיק טעון, לדוגמא אלקטרון, עובר דרך תווך מבודד במהירות קבועה שהינה גדולה ממהירות האור באותו תווך.
לחלקיקים טעונים חשמלית יש שדה חשמלי מסביבם כתוצאה ממטענם.
כאשר חלקיק טעון חשמלית נע, השדה החשמלי נע יחד עם החלקיק.
אולם, מכיוון שהשדה החשמלי נוצר בגלל פוטונים, הוא יכול לנוע רק במהירות האור.
אם החלקיק נע במהירות העולה על מהירות האור בתווך כלשהו, כמו מים לדוגמא, אז הוא למעשה 'רץ' מהר יותר מהשדה החשמלי שלו עצמו. שדה חשמלי זה שנשאר מאחור יוצר חזית הלם.
כלומר, חלקיק חומר טעון יכול ליצור "גל הלם פוטוני" כאשר הוא נע דרך תווך מבודד.
------------------------------------------------------
"בום על-אורי":
תופעה זו של קרינת צ'רניקוב, הינה "מעין בום על אורי" באנלוגית לבום על-קולי המתרחש כאשר גוף נע, בתווך, במהירות הגבוהה ממהירות הקול.
תיאור פשוט של תופעת הבום העל קולי: אם מטוס נע במהירות הגדולה ממהירות הקול, האוויר אינו יכול להתקדם הלאה. מצב זה יוצר באופן פתאומי, ירידה בלחץ אשר נעה במהירות מכנף המטוס במהירות הקול, בדיוק כמו השובל שמאחורי סירה שטה.
זהו הבום העל קולי הנוצר על ידי שינוי הלחץ שאנו שומעים אחרי שהמטוס עבר מעלינו.
כלומר, בום על קולי הוא תוצא של גל הלם שמתקדם מגוף, כמו מטוס, הנע במהירות גבוהה ממהירות הקול. בטיסה הנמוכה ממהירות הקול, אוויר מוסט באופן "חלק" מסביב לכנפי המטוס. בטיסה על קולית, מצב עניינים שכזה אינו יכול להתרחש משום שהאפקט של כנפי המטוס שגורמים לאוויר להידחף קדימה אינו יכול להתקדם במהירות הגבוהה ממהירות הקול. התוצאה היא איפה לחץ פתאומי שמשתנה, או גל הלם, אשר מתקדם מהמטוס בקונוס במהירות הקול.
למעשה כל גוף העובר את מהירות הקול, באוויר (באטמוספירה) או בתווך גזי כלשהו יוצר גל הלם, הנע לפניו.
בריק, כמו בחלל החיצון, גל הלם לא יכול למעשה להיווצר גם אם הגוף ינוע הרבה מעבר למהירות הקול.
אך חשוב לזכור שהבום העל קולי הוא רק אנלוגיה לקרינת צ'רניקוב.
זאת מכיוון שאין "אתר" שיכול לתפקד בתווך שנדחף הצידה בדומה לאוויר שנדחף מהמטוס ובכלל זה העובדה ששום גוף בריק, אינו יכול לנוע במהירות העוברת את מהירות האור C.
מה גם שגלי ההלם הינם תוצא לא לינארי של התקדמות הקול, בעוד שהתקדמות של "גלי אור" הינה תמיד לינארית.
------------------------------------------------------
האם באמת חלקיקי חומר מאסיביים נעים מהר יותר מפוטונים ('חלקיקי האור')?
על פי תורת היחסות, מהירות האור בואקום הינה גודל קבוע, C, בריק (וואקום). אולם חשוב לזכור כי מהירות האור בתווך יכולה להיות קטנה מ C. אור העובר דרך מים, לדוגמא, נעה במהירות הקטנה פי 0.75 ממהירות האור.
המהירות שאמורה להיות גבוהה יותר הינה מהירות הפאזה של האור ולא מהירות החבורה.
חשוב להעיר, שברמה המיקרוסקופית, המהירות שבה הפוטונים נעים היא תמיד אותו דבר.
כלומר, מהירות האור, C, אינה משתנה. האור נראה לנו כנע לאט יותר כאשר נע בתווך עקב האינטרקציות שמתרחשות תדיר בין הפוטונים לחומר.
הדבר דומה לרכבת נוסעים אשר במהלך נסיעתה, נעה במהירות קבועה. אם הרכבת צריכה לעבור הרבה תחנות עצירה בדרך, הדבר יראה כאילו היא נוסעת לאט יותר. כלומר, מהירותה הממוצעת תהיה קטנה יותר על אף שמהירותה הינה קבועה וגדולה יותר במהלך נסיעתה (ללא עצירות).
-----------------------------------------
כפי שהסברנו, כאשר חלקיק חומר טעון נע, הוא למעשה "משבש" את השדה האלקטרומגנטי באותו תווך.
אלקטרונים באטומים של התווך ישנו את מקומם והאטומים הופכים למקוטבים ע"י מעבר השדה האלקטרומגנטי של חלקיקים טעונים. פוטונים נפלטים כאשר האלקטרונים של החומר המבודד חוזרים למצב שיווי המשקל שלהם כאשר השיבוש חלף. בחומר מוליך, השיבוש האלקטרומגנטי חוזר לשיווי משקל ללא צורך בפליטת פוטונים.
בתנאים רגילים, פוטונים אלו מתנגשים בצורה הרסנית אחד בשני ולמעשה שום קרינה לא מתגלה.
אולם, כאשר השיבוש נע במהירות הגדולה מהאור עצמו דרך התווך, הפוטונים מתאבכים בצורה מועילה ובעצם מגבירים את הקרינה הנצפית.
ספקטרום תדירות קרינת צרניקוב הנוצר על ידי חלקיק טעון הינו רציף.
מדוע הקרינה נראית לנו כחולה?
בטווח הספקטרום של האור הנראה, העוצמה היחסית ליחידת תדירות היא בקירוב טוב פרופורציונלית לתדירות. כלומר, תדירויות גבוהות (כלומר אורכי גל קצרים) הם יותר צפופות בקרינת צ'רניקוב.
וזו למעשה הסיבה מדוע החלק הניראה של קרינת צ'רניקוב הינו מאוד כחול. במילים אחרות, מספר הפוטונים שנפלטים מחלקיק טעון שכזה הוא פרופורציונאלי הפוך לאורך הגל. כלומר, יותר פוטונים נפלטים עם אורכי גל קצרים יותר, ועל כן מטים את הספקטרום לחלק הכחול.
למעשה, רוב קרינת צ'רניקוב הינה בטווח האולטרה-סגול, רק כאשר החלקיקים מואצים יתר על מידה אנו מצליחים "לראות" בעינינו את הקרינה.
קרינת צ'רניקוב. התמונה לקוחה מויקיפדיה
קרינת צ'רניקוב נצפית הרבה בכורים גרעיניים.
הזוהר הכחול במים המקיפים כורים גרעיניים (תפקיד המים בכורים הוא לעצור ניוטרונים) הינו למעשה ביטוי לקרינת צ'רניקוב. לאמיתו של דבר, הניוטרונים במים לא גורמים באופן ישיר לקרינת צ'רניקוב שכן אינם טעונים וכפי שהסברנו, רק חלקיקים טעונים יכולים לגרום לקרינת צ'רניקוב. הקרינה מגיעה למעשה מחלקיק בטא (אלקטרונים מהירים מאוד...) אשר נפלטים על ידי תהליכי ביקוע.
ישנם לקרינת צ'רניקוב שימושים רבים, בין היתר גם באסטרופיסיקה: כאשר קרניים קוסמיות באנרגיות גבוהות יוצרים אינטראקציה עם האטמוספירה. עלולים להיווצר זוגות של אלקטרון-פוזיטרון בעלות מהירויות גבוהות מאוד. קרינת צ'רניקוב ממטענים טעונים אלו משמשת לגילוי המקור והעוצמה של אותן קרניים קוסמיות.
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
