20090522 チェレンコフ放射(2)
チェレンコフの光$${^{*1}}$$はどのようにして出てくるのか。その説明には「荷電粒子が物質中を超光速で運動する時に放射される」とある。荷電粒子とは電気を持った小さな粒のことだ。代表的な物に電子や陽子がある。物質中では光の速度は真空中よりも遅くなる$${^{*2}}$$。従って相応速度の速い粒子が物質中を透過すればチェレンコフ光が出てくることになる。
光はどこから出てくるのか。真空中を等速で運動する荷電粒子からは一切光は出ない。これは超光速にならないからではない。光を出す理由、つまり運動量の変化がないからである。しかし高速で運動する荷電粒子が強力な磁界で加速度を受けたり$${^{*3}}$$、金属など何か密度の高い物質に衝突して急にその速度が低下する$${^{*4}}$$と荷電粒子の運動量が変化する。運動量は保存される$${^{*5}}$$ので、荷電粒子の変化した運動量を埋め合わせるために運動量を持った光が放射される。
もう一つの光の出所は、周りの物質からである。物質は原子で構成されている。原子は正の電気を持つ原子核と負の電気を持つ電子とでできている$${^{*6}}$$。その近くを電気を持った粒子が通過すれば、周りの物質を構成する原子や分子は荷電粒子の電磁気力の影響を受ける$${^{*7}}$$。影響を受けた原子や分子が元に戻る時に光を発する。つまり高速で運動する荷電粒子の周りの物質が発光する。
ではチェレンコフの光はどのようにして出てくるのか。原子炉で見えるチェレンコフ光は青色に見える$${^{*8}}$$らしい。原子炉$${^{*9}}$$に満たされている液体は水である。炉心では中性子や電子など様々な高速粒子が飛びかっている$${^{*10}}$$。それらが水中を運動する。 中性子は電気を持っていないが、水分子の水素原子に衝突して陽子を飛び出させる$${^{*11}}$$ことがある。
これら荷電粒子は様々な速度で水中を運動するので、チェレンコフ光がどのように放射されるのか一律に考えるのは難しそうである。まず、どうしてチェレンコフ光は青色に見えるか。
荷電粒子が水分子に衝突して急激に速度を落とすことにより光が放射されるなら、荷電粒子の元々の速度がある程度そろっていないと青色には見えないのではないか。色々な色が混ざり白色に見えそうである。何故なら速度の差で放射される光の波長が決まる筈だから、元々の速度がバラバラなら色もバラバラになるだろう。それに光速を超える必要もない。
ではもう一つの光の出所である周りの水そのものが青く光っているのか。もともと水は青い$${^{*12}}$$。水は青い光を通しやすい。他の光があっても水が吸収するので青く見える$${^{*13}}$$。物質の中を光が透過すると言うことは、物質の隙間以外の所では物質を構成する原子や分子が一旦光を吸収して直ぐに放出するというのを繰り返しているのである。その色が透過しやすいということは、その物質自体がその色で光ることができるということになる。水自体が光るなら荷電粒子の速度のばらつきはあまり関係ないだろう。
水の分子が荷電粒子の運動の影響を受けて光を出すのだから荷電粒子の速度は関係ないような気がする。ところがそうではない。通常、このような光は弱過ぎて見えないらしい。水中で荷電粒子が光の速度を超えて運動をすると水分子が発する光が上手く重なり合って光が強まり見えるようになる$${^{*14}}$$。これがチェレンコフ光らしい。つまり荷電粒子が超光速で運動するから光が放出されるのではなく、荷電粒子が動けば周りの物質から光が放出されるが、それは弱過ぎて見えず、荷電粒子の速度が光速を超えるとその物質から放出された光が上手く重なり合って強くなって出てくる$${^{*15}}$$、と言うことだろう。
*1 20090521 チェレンコフ放射
*2 20090426 超光速のつけ
*3 Y. Amemiya laboratory -- The University of Tokyo --
*4 放射線診療技術研修支援システム -社団法人 日本獣医師会-
*5 1-1-3 運動量の保存
*6 20030427 電気の本質
*7 TEPCO : 福島第一原子力発電所 | 3号機の定期検査現場マスコミ公開
*8 When high velocity particles travel faster than the speed of light in a medium they create a blue flash. This is called Cerenkov Radiation, why does this happen and why is it blue?
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*10 チェレンコフ放射 | 宇宙物理メモ
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*12 20040707 海の青
*13 WHY IS WATER BLUE
*14 Coherent Effect for Charged Particles
*15 Animated Cherenkov Radiation