P 164: Zum Schluss das Blitzen (K), aktualisiert 5.3., 8.3.,9.3.
37.2 Cerenkov-Strahlung
Was sagt die Relativitätstheorie: Nur Licht kann so schnell sein wie Licht...
Das muss man genauer beschreiben:
Gemeint ist hier immer die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die man als Naturkonstante aus der elektrischen und magnetischen Feldkonstante berechnen kann:
In einem Medium wird Licht langsamer.
Einstein und die Lichtgeschwindigkeit
Der Brechungsindex n ist der "Abbremsfaktor" für Licht.
Wir haben ja gesagt, dass Licht in Glas nicht wirklich langsamer wird, nur von Atom zu Atom "weitergereicht" wird...und das dauert eben.
Aber trotz allem ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum größer als im Glas (Glas mit n = 1,4 hat eine Lichtgeschwindigkeit von 214 000 km/sec).
Da ist es für Ladungen ein leichtes, schneller zu sein. Elektronen, Myonen, Positronen können mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus dem Kosmos kommen oder in einem Beschleuniger erzeugt werden.
Man nennt sie dann relativistische Teilchen.
Dringen die dann in Glas ein, so bringen sie beim Vorbeiflug Ladungen in den Atomen zum Schwingen. Diese schwingenden Ladungen strahlen dann wie ein Dipol eine elektromagnetsiche Welle ab, eben Licht. Da sich dieses Licht im Glas ausbreitet, ist es langsamer wie die vorbeifliegende Ladung.
Vergleich: Die vorbeifliegende Ladung entspricht dem Flugzeug, das von den Atomen abgestrahlte Licht dem Schall.
Die Lichtwellen überlagern sich zu einer kegelförmigen Wellenfront, sozusagen einem Machschen Kegel für Licht.
Das sehen wir als Leuchten!
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| Ein Myon erzeugt Cerenkovstrahlung |
Die Strahlung wird nach ihrem Entdecker Cerenkov-Stzrajhlung genannt.
Pavel Cerenkov (oft auch Cherenkov oder Tscherenkow geschrieben) lebte von 1904 bis 1990, war russischer Physiker und erhielt 1958 für seine Entdeckung den Nobelpreis.
(mir scheint die Verleihung des Nobelpreises die Voraussetzung dafür zu sein, in diesem Blog erwähnt zu werden)
(in einem der letzten Posts habe ich Leon erwähnt...Du kannst auch nachliefern!)
Relativistische Teilchen entstehen durch Radioaktivität in Kernkraftwerken und bringen über die Cerenkovstrahlung das Kühlwasser zum Leuchten (Cerenkovstrahlung ist in der Regel blau).
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| Blick in einen Reaktorkern |
37.3 Cerenkov-Detektoren
Über Cerenkovstrahlung macht man oft in der Elementarteilchenphysik relativistische (geladene) Teilchen "sichtbar". Riesige Fotomultiplier (das sind Lichtverstärker: Licht erzeugt über den Photoeffekt Elektronen und jedes Elektron erzeugt weitere Elektronen).
Schaut euch das mal an...ab und an kommen die auch im Abi als Hilfmittel vor...
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| hammamatsu |
Die Widerstandsreihe ist ein Spannungsteiler und sorgt dafür, dass die einzelnen Dynoden auf immer höherem Potenzial liegen und somit die Elektronen immer weiter beschleunigt werden..
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| open lab physics |
In dem Bild stößt ein Neutrino ein geladenes Teilchen im Wasser an und beschleunigt es auf fast Lichtgeschwindigkeit. Der Cerenkov-Kegel wird dann durch ein Array aus Fotomultiplierröhren registriert.
Hier sehen wir sie im Inneren des Superkamiokande Detektors in Japan. Hier ist er nur halb mit Wasser gefüllt, damit die Techniker im Schlauchboot die Fotomultiplier kontrollieren können.....
Hier zeigt mir eine Wissenschaftlerin (Samantha) im SNOLAB (Canada) in 2100 m Tiefe eines der dort verwendeten Fotomultiplier.
Ich lass Samantha mal erzählen...
Den ganzen Film kann man sich hier ansehen:
So werden Neutrinos über die indirekt von ihnen erzeugte Cerenkovstrahlung nachgewiesen:
Für mich eine der seltsamsten Ideen zum Schluss:
In Namibia lernte vor 20 Jahren ich auf einer Farm einen Techniker kennen, der ein neuartiges Teleskop in die Wüste stellen sollte. Er nahm mich mit. Von ihm erfuhr ich, dass man Cerenkovstrahlung der Luft nachweisen will.
In der Tat gibt es Teilchen aus dem Kosmos, die mit 0,99999999 c auf die Atmosphäre treffen und damit geringfügig schneller als Licht dort sind.
Das reicht, um tiefblaue Lichtblitze zu erzeugen.
Und das funktioniert!
Heute überwachen Cerenkovteleskope den Himmel und können inzwischen sogar Bilder erzeugen.
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| Eines der Cerenkovteleskope in Namibia (HESS-Teleskop) |
Auch Gammaquanten können relativistische Teilchen in der Atmosphäre erzeugen, deren Cerenkovstrahlung das Gammaquant messbar macht.
Interessante Zahlen:
- Die Intensität der Cerenkovstrahlung in der Luft geht mit 1/λ², d.h. es ist hauptsächlich blaues Licht.
- Öffnungswinkel des Kegels bei 1°, d.h. überstrahlte Fläche hat ungefähr 120 m Radius.
- Pro m² kommen etwa 150 Photonen an.
Pierre Auger Teleskop in Argentinien
1600 Wassertanks für Cerenkovstrahlung durch kosmische Teilchen.
Und mit etwas Geduld kann man manchmal auch Cerenkovblitze im Augenwasser und der Augenlinse wahrnehmen. Natürlich muss man im total abgedunkelten Raum mit geschlossenen Augen sitzen, sehr lange......
Cerenkov-Strahlung im SFN
Kamiokande steht für "Kamioka Nucleon Decay Experiment" nahe des japanischen Ortes Kamioka.
2003 haben alle Teilnehmer des damaligen PhysikClubs Kamiokanne entwickelt: Sie haben einen alten Photomultiplier vom CERN (die ich aus einem Lager an der Uni Mainz säckeweise mitnehmen durfte) auf eine Thermokanne geschraubt (das verspiegelte Innere ist hilfreich) und damit über die im Wasser der Kanne erzeugte Cerenkovstrahlung kosmische Myonen untersucht.
Und natürlich haben wir auch die Abnahme der Myonenstrahlung in einer Höhle gemessen. Dazu mussten wir 200 kg Elektronik und Batterien 1000 m hoch zum Höhleneingang schleppen und ins Innere bringen...
Inzwischen haben David und Max neue Cerenkov-Detektoren entwickelt:
Der Szintillator für den Cerenkov-Effekt ist hier natürlich komplett lichtdicht eingepackt.
Im Bild unten sieht man ein kleines Stück davon.
David bei Messungen: Nachweis von Myonen über die Cerenkovstrahlung
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