Quelltext der Seite Tscherenkow-Strahlung

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[[Datei:RA6cab.jpg|miniatur|Tscherenkow-Strahlung im Kern des RA-6 Reaktors im [[Centro Atómico Bariloche]]]]
'''Tscherenkow-Strahlung''' (manchmal auch '''Čerenkov-''' oder, nach der englischen Schreibweise, '''Cherenkov-''' geschrieben), benannt nach ihrem Entdecker [[Pawel Alexejewitsch Tscherenkow]], ist im engeren Sinn eine bläuliche Leuchterscheinung, die beim Durchgang schneller, geladener Teilchen (z. B. [[Elektron]]en) durch ein lichtdurchlässiges [[Dielektrikum]] hervorgerufen wird. Sie ist beispielsweise in [[Schwimmbadreaktor]]en und in [[Abklingbecken]] von [[Kernkraftwerk]]en zu beobachten; die schnellen Elektronen sind hier teils durch [[Betastrahlung]], teils durch Stöße von [[Gammastrahlung|Gammaquanten]] aus [[Atom]]hüllen freigesetzt.

In Russland wird die Strahlung nach ihrem Mitentdecker [[Sergei Iwanowitsch Wawilow]] auch ''Wawilow-Tscherenkow-Strahlung'' genannt.

== Tscherenkow-Strahlung allgemein ==
[[Datei:Cherenkov.svg|miniatur|Tscherenkoweffekt (idealer Fall ohne Dispersion)]]
Im weiteren Sinn ist Tscherenkowstrahlung die [[elektromagnetische Strahlung]], die entsteht, wenn sich [[Elektrische Ladung|geladene]] [[Teilchen]] in [[Materie (Physik)|Materie]] mit höherer Geschwindigkeit als der [[Phasengeschwindigkeit]] elektromagnetischer Wellen in diesem [[Ausbreitungsmedium|Medium]] bewegen. Allgemein wird dabei vom ''Tscherenkow-Effekt'' gesprochen. Beispielsweise beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Wasser nur 225.000.000&nbsp;m/s im Vergleich zu 299.792.458&nbsp;m/s im Vakuum.

Wenn sich ein geladenes Teilchen durch ein [[Dielektrikum|dielektrisches]] (nichtleitendes) Medium bewegt, werden die Atome längs der Flugbahn durch dessen Ladung kurzzeitig [[Polarisation (Elektrizität)|polarisiert]] und erzeugen dabei elektromagnetische Wellen. Im Normalfall [[Interferenz (Physik)|interferieren]] die Wellen von benachbarten Atomen destruktiv (sie löschen sich aus), so dass makroskopisch keine Strahlung auftritt. Wenn sich jedoch geladene Teilchen in einem Medium schneller bewegen als es Licht darin kann, können sich die Wellen von benachbarten Atomen nicht mehr auslöschen, da sich immer eine gemeinsame kegelförmige Wellenfront ergibt. Diese elektromagnetischen Wellen sind die Tscherenkowstrahlung.

Die Richtung der ausgesandten Strahlung entlang der Flugbahn beschreibt einen sogenannten [[Mach-Kegel]]. Der Winkel <math>\theta</math> zwischen Teilchenbahn und Strahlungsrichtung hängt von dem Verhältnis der Geschwindigkeit <math>v=\beta c</math> des Teilchens und der Lichtgeschwindigkeit <math>c'=c/n</math> im Medium mit [[Brechungsindex]] <math>n</math> ab:

:<math>\cos(\theta) = {c' \over v} = \frac1{n\beta}</math>

Das Tscherenkow-Licht ist somit das optische Analogon zum [[Überschallknall|Überschallkegel]], der entsteht, wenn [[Flugzeug]]e oder andere Körper sich schneller als der [[Schall]] fortbewegen.

Die Zahl der entstehenden Photonen N ist pro Kreisfrequenz <math>\omega</math> und Wegstrecke x für ein Teilchen der Ladung z (<math>\alpha</math> [[Feinstrukturkonstante]] und c Lichtgeschwindigkeit) gemäß der [[Frank-Tamm-Formel]]

:<math>{d^2N \over d\omega dx} = {z^2 \alpha \over c} \sin^2 \theta </math>

Die minimale kinetische Energie eines Elektrons, die zur Emission von Tscherenkow-Strahlung in Wasser nötig ist, beträgt 263 [[Elektronenvolt|keV]].

2001 wurde jedoch beim Stuttgarter [[Max-Planck-Institut für Festkörperforschung]] und bei der [[University of Michigan]] experimentell entdeckt, dass kegelförmige Tscherenkow-Strahlung auch bei Unterlichtgeschwindigkeit auftreten kann.<ref>{{Webarchiv | url=http://www.kworkquark.net/nachrichten/tscherenkowstrahlung/wissensdurst2.html | wayback=20071213020714 | text=DESY kworkquark.net}} und T. E. Stevens, J. K. Wahlstrand, J. Kuhl, R. Merlin: ''Cherenkov Radiation at Speeds Below the Light Threshold. Phonon-Assisted Phase Matching''. In: ''Science''. 26. Januar 2001</ref>

== Anwendungen ==
[[Datei:Magic-Telescope.jpg|mini|hochkant|Das Tscherenkow-Teleskop [[MAGIC-Teleskop|MAGIC]]]]
[[Datei:FACTmoon.JPG|mini|Das Tscherenkow-Teleskop [[FACT_(Teleskop)|FACT]]]]
Das Tscherenkow-Licht wird zum Nachweis von hochenergetischen geladenen Teilchen verwendet, insbesondere in der [[Teilchenphysik]], [[Kernphysik]] und [[Astrophysik]]. In der Teilchenphysik dient die Tscherenkow-Strahlung einzelner geladener Teilchen auch zur Messung ihrer Geschwindigkeit. Für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche kommen dafür verschiedene Medien wie Glas, Wasser oder auch Luft in Frage.

In wassermoderierten und -gekühlten [[Kernreaktor]]en ist die Intensität der Tscherenkow-Strahlung ein Maß für die augenblickliche [[Aktivität (Physik)|Radioaktivität]] der [[Spaltprodukt]]e im Kernbrennstoff (und damit für die Reaktorleistung), da energiereiche [[Betazerfall|Beta-]]Elektronen aus dem Brennstoff in das Wasser gelangen. Nach Entfernen der Brennelemente aus dem Reaktorkern und Unterbringung in einem [[Abklingbecken]] ist die Intensität ein Maß der verbleibenden Radioaktivität.

Treffen sehr energiereiche [[Kosmische Strahlung|kosmische Teilchen]] auf die [[Erdatmosphäre]], werden je nach Art des Teilchens durch verschiedene Prozesse neue Elementarteilchen gebildet, welche Tscherenkow-Licht erzeugen können. Es entstehen dabei Lichtblitze ''([[Tscherenkow-Blitz]]e)'' mit einer Dauer von Milliardstel Sekunden, aus denen man die Herkunftsrichtung der kosmischen Teilchen bestimmen kann. Dieser Effekt ist für die Beobachtung wichtig, weil z.&nbsp;B. [[Gammastrahlung]] von kosmischen Explosionen die Erdatmosphäre nicht durchdringt und deshalb von Teleskopen auf der Erde nicht direkt wahrgenommen werden kann. Erst der aus den Gammaquanten (hochenergetischen Photonen) entstehende [[Elektromagnetischer Schauer|elektromagnetische Schauer]] (bestehend aus Elektronen, Positronen und niederenergetischeren Photonen) kann von erdgebundenen Messgeräten (Tscherenkow-Teleskopen) analysiert werden.

In den Experimenten [[Super-Kamiokande]], [[IceCube]] und [[Antares (Neutrinoteleskop)|ANTARES]] werden kosmische [[Neutrino]]s detektiert, indem [[Photomultiplier]] das Tscherenkow-Licht von Sekundärteilchen ([[Elektron]]en und [[Myon]]en) nachweisen, die bei der äußerst seltenen Wechselwirkung der Neutrinos mit Wasser bzw. Eis entstehen.

Im Falle von Lichtausbreitung in [[Metamaterial]]ien kann der [[Brechungsindex]] negativ werden. Dies hat dann (neben anderen Effekten wie einem umgekehrten [[Dopplereffekt]]) zur Folge, dass auftretende Tscherenkow-Strahlung nicht in Richtung der Teilchenbewegung, sondern dieser entgegen ausgesandt wird.<ref>[[David Smith (Physiker)|D. R. Smith]], [[John Pendry|J. B. Pendry]] und M. C. K. Wiltshire: ''Metamaterials and Negative Refractive Index''. In: ''Science''. Band 305, 6. August 2004</ref>

== Nobelpreis ==
[[Igor Jewgenjewitsch Tamm]], [[Pawel Alexejewitsch Tscherenkow]] und [[Ilja Michailowitsch Frank]] erhielten 1958 zusammen den [[Physik-Nobelpreis]] „für die Entdeckung und Interpretation des Tscherenkow-Effekts“.

== Tscherenkow-Teleskope und -Netzwerke ==
* [[MAGIC-Teleskope|MAGIC]]
* [[High Energy Stereoscopic System]]
* [[FACT_(Teleskop)|FACT]]
* [[Cherenkov Telescope Array]]

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=[[Dieter Meschede]] |Titel=[[Gerthsen Physik]] |Verlag=Springer, Berlin |ISBN=3540254218 |Auflage=23. |Jahr=2006}}
* {{Literatur |Autor=Gerhard Musiol, Johannes Ranft, Roland Reif |Titel=Kern- und Elementarteilchenphysik |Verlag=Wiley-VCH |ISBN=3527268863 |Jahr=1987 |Seiten=1127}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Cherenkov radiation|Tscherenkow-Strahlung}}
* [http://cerncourier.com/cws/article/cern/29202 Cern Courier zu Wawilow und der Entdeckung der Tscherenkow-Strahlung]

[[Kategorie:Teilchenphysik]]
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