最終更新日: 2022 年 4 月 2 日

チェレンコフの光

画像の説明: マッハコーンは、衝撃波と防音壁の概念に関連した画像です。飛行機がマッハ 1 を超えると、波は飛行機を頂点とする円錐形になります。マッハコーンと外部との境界は、平面とともに進む双曲線を形成します。衝撃の強さは、気圧が突然自然な平均バランスに戻るときの急激な圧力変化の結果です。この波自体の爆縮が衝撃音を引き起こします。クレジット: 1999 年 7 月 7 日に音速の壁を突破した FA-18 ホーネット、アメリカ海軍ジョン・ゲイ少尉

衝撃波とマッハコーンの説明

チェレンコフ効果を説明する前に、航空機の後方で音速 (約 340 m/s) を超える衝撃波が発生する現象を理解する必要があります。
航空機の速度が音速より小さい場合、音波は航空機の周囲をあらゆる方向に伝播します。これらの同心球の気圧は半径を毎秒 340 メートル増加させ、航空機は常に波面の内側にあります。したがって、空気分子の衝突によって生成される音波は、平面よりも速く移動し、そのエネルギーは距離の二乗 (i=p/4πr2) に応じてゆっくりと消散します。
しかし、飛行機の速度が増加するにつれて、飛行機の前の波は互いに近づき、ますます落ち着きますが、飛行機の後ろの波は伸びます。この音の周波数の伸縮効果がドップラー効果の原因となります（音の物体が近づいてくると音が高く感じられます！）。
波がぶつかったときに高さが加算されるのと同じように、音波の強度も加算されます。飛行機が生成する音波よりもゆっくりと移動する限り、波はエネルギーが加算されずに互いに囲まれたままになります。

しかし、飛行機が音速に達すると、その位置から新たな波を発生させながら、同じ位相の波が集まって飛行機の前に集まり、圧力が急激に上昇して衝撃波が発生します。その後、圧力は飛行機に沿って減少し、飛行機の尾部で再び突然上昇します。これら 2 つの過圧により、2 つの超音速ブームが非常に接近して発生するため、私たちの耳は 1 つしか知覚しません。飛行機の後方の圧力衝撃が飛行機に追いつかないため、この衝撃音は乗客には聞こえません。その後、衝撃波はマッハ円錐と呼ばれる円錐内を伝播します。
飛行機の速度がマッハ1を超えた瞬間、飛行機は目の前にできていた圧縮空気の壁、これを音の壁と呼びます。発生した衝撃波は、周囲の空気に急激な圧力と温度の変化を引き起こします。気温が露点以下に低下すると、空気中に含まれる水蒸気が凝縮して細かい水滴となり、添付の写真のように飛行機の超音速飛行に伴う雲を形成します。

画像の説明: 原子力発電所の使用済み燃料冷却プールの水の青みがかった明るさは、チェレンコフ効果によって生成されます。真空中の光の速度 (299792 km/s) は、エネルギーの移動の最大速度です。しかし、水中での光の速度（225563 km/s）は超えることができ、チェレンコフ効果が可能になります。クレジット: アイダホ国立研究所の新型試験炉炉心内のチェレンコフ放射線。

チェレンコフ効果の説明

ロシアの物理学者パーベル・チェレンコフ (1904-1990) によるチェレンコフ光は、電荷を持った粒子が物質媒体 (水や空気など) 内を光速よりも速い速度で移動するときに生成される閃光です。真空中の光の速度は常にこれより大きいままです。
チェレンコフ効果と超音速衝撃波の類似性は容易に想像できます。
空気中を音よりも速く移動する飛行機は衝撃波を発生させ、そこにすべての音波が存在します。チェレンコフ効果との対応は、平面を荷電粒子、音を光に置き換えることで行われます。
水や空気のような物質媒体中では、光は速度 c1 = c/n で進みます。
c = 真空中の光の速度
n = 媒質の屈折率は常に > 1 (例: 空気=1.0003、水=1.333、光ファイバー=1.5、ダイヤモンド=2.41)
荷電粒子はこの媒体中を c1 より大きい速度 v で移動できますが、c 未満のままであり、これは特殊相対性理論と矛盾しません。
水中でのこの青い放射放出は何で説明されるのでしょうか?
荷電粒子は、その軌道全体を通じて、通過する媒体と相互作用します。水中を移動中に、遭遇した原子を一時的に破壊します。言い換えれば、電子は最初の位置から遠ざかり、その後元の位置に戻ります。したがって、粒子が遭遇する各原子はエネルギーを吸収し、放射線の放出体になります。それぞれの原子が発するすべての波は無秩序に重なり合い、合計が打ち消されるほど異なる位相を示します。

ただし、水中での荷電粒子の速度は、超音速面と比較することができ、水中の各原子が発する波の速度よりも速くなります。粒子が媒質内で光速を超えると、すべての波が同じ位相にあるため、超音速衝撃波の場合のように増加していきます。この現象は、マッハコーンの音の壁に似た波面を引き起こします。その後、突然の遷移が粒子の軌道全体にわたって、つまり 1 メートルあたり 100 億回発生します。チェレンコフ効果は、コース全体を通じて、青と紫外線が優勢なすべての波長の光波の放射によって現れます。
これらのフラッシュは、原子力発電所の使用済み燃料冷却プール内の青い光を説明するのに役立ちます。それは放射能によって放出される高エネルギーの電子が水中での光よりも速い速度に達するためです。
チェレンコフ検出器は大きな水タンクの中に設置されており、非常に高エネルギーの粒子を検出するために使用されます（南極ミュオンおよびニュートリノ検出器アレイ、スーパーカミオカンデ）。
チェレンコフ光は、太陽の中心部（サドベリーニュートリノ観測所）での核反応で生成されるニュートリノの検出にも関与しています。
アポロ計画の宇宙飛行士は皆、ミッション中にホスフェンについて不満を漏らしていた。これらの光の視覚障害はチェレンコフ効果によるものであることが発見されました。眼球内の液体を通過する太陽風の粒子はホスフェンを生成します。このようなホスフェンは地球上でも発生しており、その割合は一人当たり年間平均 1 ～ 2 個です。