Çerenkov radyasyonu ve Işıktan Hızlı Parçacıklar

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklarFizikte hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez deriz; ama aslında ışıktan hızlı gitmek mümkün ve bu da Çerenkov radyasyonuna yol açıyor. Peki görelilik teorisiyle ışık hızına sınır koyan Einstein yanılıyor mu? Hayır, ama yine de evrende ışıktan hızlı giden parçacıklar var. Biz de Çerenkov ışımasını Dünya’daki nükleer reaktörler ve nötrino detektörlerinde kullanıyoruz. Peki nasıl?

Çerenkov ışımasının kökeni

Albert Einstein 1915 yılında genel görelilik teorisini yayınladığı zaman, hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez ve kütleli parçacıklar da asla ışık hızına ulaşamaz dedi. Ancak, bu olgu sadece kusursuz vakum ortamında geçerli.

Nitekim uzay boşluğu vakuma en yakın ortamdır ve ışığı oluşturan fotonlar da uzayda ışığın maksimum hızı olan saniyede 300 bin km hıza çıkabilirler. O sebeple uzayda hiçbir şey ışık hızını geçemez. Oysa ışığın camdan, sudan ve havadan geçmesi gibi durumlarda işin rengi değişiyor; çünkü bu ortamlarda ışık oldukça yavaş gidiyor. Bu da diğer parçacıkların ışıktan hızlı gitmesine izin veriyor.

İlgili yazı: Hubble Uzayda Hayatın Kaynağı Bucky Küreleri Buldu

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar

Nükleer reaktör çekirdeğini barındıran ağır su havuzunda Çerenkov radyasyonu. Aslında Türkçede Çerenkov’un Rus adı olarak Çerenkof şeklinde yazılması gerekir. Ben bilimsel geleneğe uydum.

 

Peki ışık yavaşlar mı?

Işığı oluşturan fotonlar asla ışığın boşluktaki hızı olan saniyede yaklaşık 300 bin km’den yavaş gidemez. Ancak ışık camdan geçerken, fotonlar camı oluşturan atomlar tarafından sürekli emilip yeniden yayınlanıyor.

Bu da ışığın camın içinde düz bir çizgi izlemesini önleyerek yolunu uzatıyor. Biz de bunu ışığın yavaşlaması olarak algılıyoruz. Buna ek olarak güçlü yerçekimi olan gezegen, yıldız ve kara delik gibi cisimler de uzay boşluğunu bükerek ışığın yolunu uzatıyor. Bunu da zamanın yavaşlaması olarak algılıyoruz.

Oysa bu yazıda Çerenkov radyasyonunu anlatacağımız için yerçekimi etkisi yerine, ışığın hava ve cam gibi ortamlardan geçerken görünüşte yavaşlamasını ele alacağız. Sonuç olarak evet, ışık camdan geçerken yavaşlayabilir. Bununla birlikte ışığın boşluktaki hızı 299 bin 792,458 km/saniye olup ne bizzat ışığı oluşturan fotonların, ne de elektron gibi kütleli parçacıkların bu hızı aşması mümkündür.

İlgili yazı: İnsanlar Gelecek 100 Yılda Nasıl Evrim Geçirecek?

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar

Işık hızına yaklaşan bir uzay gemisi de Çerenkov radyasyonu yayacaktır. Nasıl ki uçaklar havada sesten hızlı uçunca sonik patlamaya yol açar, Çerenkov radyasyonu da örneğin suda ışıktan hızlı giden cisimlerin yol açtığı ışık patlamasıdır.

 

Dünya’da ışık hızına yaklaşmak

İnsanlık CERN parçacık hızlandırıcısında ışık hızına yaklaştı. Hatta uzaydan gelen ve Dünyamızı her saniye bombalayan kozmik ışınlar, CERN’de hızlandırılan protonlardan çok daha hızlı gidiyor. Peki CERN tesislerinde kütleli parçacıklarla elde ettiğimiz en yüksek hız nedir?

Yenilen pehlivan güreşe doymazmış: Biz de bu yüzden CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) protonları hızlandırmaya devam ediyor ve bugüne dek 299 bin 792,455 km/saniye hıza ulaşmış oluyoruz. Bu da saniyede 300 bin km olarak yukarıya yuvarladığımız ışık hızından sadece 3 metre yavaştır.

Oysa LHC yeraltında inşa edilmeden önce, o tünelde Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı (LEP) vardı. İnsanlığın bugünkü hız rekorunu da LHC’den eski olan LEP elinde tutuyor. LEP elektron ve anti elektronları (pozitronları) 299 bin 792,4579964 km/saniye hıza çıkarabiliyordu.

Tabii en güçlü parçacık hızlandırıcısı doğa anadır: Kara delikler, süpernovalar ve nötron yıldızlarının yol açtığı en enerjik kozmik ışınları oluşturan kütleli parçacıkların hızı, saniyede 299 bin 792,457999999999999918 km’ye erişiyor! Bu da Andromeda galaksisi merkezindeki süper kütleli kara deliğin uzaya fırlattığı protonların, Dünya’ya fotonlardan yalnızca 6 saniye geç ulaşması demek!

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar

Ağır su havuzunun dibinde nükleer reaktör çekirdeği.

 

Çerenkov ışımasıyla ne ilgisi var?

Görüyoruz ki doğada bulunan kütleli parçacıklar vakumda neredeyse ışık hızında gidebiliyor. Bu da ışığın suyun içinden geçerken yavaşlaması gibi durumlarda, bazı parçacıkların, örneğin elektronların ışıktan hızlı gidebileceği anlamına geliyor. Evet, elektronlar suyun içinde ışıktan hızlı gidebilir.

Prizmada kırılan gökkuşağı nedir?

Sahi nedir? Evet, hava molekülleri, aslında beyaz olan Güneş ışığını kırarak gözümüze daha çok sarı renkli görünmesini sağlıyor. Yine de ışığı oluşturan gökkuşağı renklerini açık havada görmüyoruz. Sadece yağmurlu havalarda güneş açtığı zaman, atmosferdeki su damlaları prizma olarak davranarak ışığı büküyor ve gökkuşağı renklerine ayrıştırıyor.

Öte yandan, ışığı cam prizmadan geçirirsek 7 renge ayırabiliyoruz ve bunun da bir sebebi var: Kırmızı ışığın dalga boyu daha uzun ve frekansı daha düşükken, mavi ışığın dalga boyu kısa ve frekansı yüksektir. Bu da mavi ışığın camın içinden daha hızlı ve kırmızı ışığın daha yavaş geçmesi demek. İşte prizmalar ışığı bu şekilde kırıp dalga boylarına ayırarak o güzel gökkuşağı renklerine ayrıştırıyor.

Nitekim ışığın görünür hızı suda yaklaşık 225 bin km/saniye ve mercek camında da 197 bin km/saniyedir. Öyleyse benim gibi gözlük takıyorsanız Dünya’yı çıplak gözlü arkadaşlarınızdan daha geç görüyor ve az da olsa geçmişe yolculuk ediyorsunuz demektir. 🙂

Özetle kuantum fiziğine bağlı fotonik etkileşimler, enerjinin korumu yasası ve optik yasaları bir araya gelerek camın şekline göre ışık ışınlarını farklı şekillerde bükmesi veya dağıtmasına izin veriyor. Tebrikler! Gözlük, dürbün, kamera ve teleskop merceğini icat ettiniz!

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

Çerenkov radyasyonu ışık konisinin açısına bakarak hangi parçacığın (elektron vb.) bu ışığı yaydığını anlayabiliriz.

 

Çerenkov radyasyonu ve nükleer reaktörler

Çerenkov ışımasını genellikle nükleer reaktör çekirdeklerinde görüyoruz: Atomu parçalayan reaktör çekirdeği çevreye çok sayıda enerjik parçacığın yayılmasını sağlıyor. Bunlardan biri de yüksek hızlı elektronlardır. Elektronlar soğutma amacıyla ve radyasyon kalkanı olarak kullanılan ağır suyun içinden geçerken ışıktan hızlı hareket ediyor ve mavi renkli Çerenkov ışımasına yol açıyor.

Nitekim Amerika ve Avrupa’daki reaktör çekirdekleri ağır su içeren dev havuzların dibinde yer alıyor. Böylece çevreye ölümcül radyasyon saçmaları önleniyor (ağır suyun ne olduğunu aşağıda yazacağım). Şimdi, siz negatif elektrik yüklü elektronları ağır suyun içinden geçirirseniz bunlar ışıktan hızlı giderler ve Çerenkov radyasyonu da direkt buna bağlıdır:

Elektronlar sudan geçerken ışık saçıyor; ama bu ışık elektronların gerisinde kalıyor. Böylece elektronlar reaktör havuzundan daha önce yukarı çıkmaya başlamış olan fotonlara sürekli yetişiyor ve arkadan çarparak onları geride bırakıyor. Böylece ışığı yukarı doğru sıkıştıran bir şok dalgasına yol açıyor.

Fotonların havuzundun dibinden yüzeye doğru çıkarken sıkışması ise onların dalga boyunu kısaltıyor ve frekansını artırıyor. Kısacası ambulans sireninin size yaklaşırken tizleşmesi gibi bir Doppler etkisi ortaya çıkıyor. Bu da elektronların ışığının maviye kaymasına yol açıyor. Çerenkov radyasyonu budur.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Bir nötrino, Sudbury nötrino detektörü gibi bir detektörün içindeki ağır su tankında bulunan atomlarla etkileşime girerse muon parçacıkları oluşturabilir. Bunlar da mavi ışık yayar.

 

Çerenkov radyasyonu ve nötrino detektörleri

Şimdi bir an durup nötrino detektörlerini düşünelim: Nötrinolar çok az kütlesi olan mini temel parçacıklar olup Dünya’nın içinden neredeyse hiç etkilenmeden geçerler. Öyle ki 12 bin 742 km çapında olan Dünyamız nötrinolar için neredeyse cam gibi saydamdır.

Öte yandan, Güneş ve diğer yıldızlar, çekirdeğinde gerçekleşen nükleer tepkimeler yüzünden uzaya sürekli nötrino yayıyor. Hatta Güneş’in yaydığı radyasyonun büyük kısmı ısı, ışık ve güneş rüzgarından değil de nötrinolardan oluşuyor!

Kısacası hem yıldızları, hem de evrenin nasıl oluştuğunu anlamak için nötrinoları tanımamız gerekiyor. Bu yüzden de Dünya’da nötrino detektörleri kuruyoruz. Ancak, nötrinolar genellikle Dünya’yı oluşturan atomlarla etkileşime girmedikleri için bu detektörleri yeraltına yerleştiriyoruz.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar

Kanada’daki Sudbury Nötrino Detektörü yeraltında olan küre şekilli bir ağır su tankı içeriyor.

 

Nötrino avcıları

İstiyoruz ki bu detektörler hem yeryüzünde yanlış alarma yol açacak doğal radyasyon kaynaklarından korunsunlar, hem de yeraltında olduğu için uzaydan gelen nötrinoları kalın kaya tabakası ve detektör kütlesinin içinden geçmeye zorlasınlar. Özetle nötrinoların maddeyle etkileşime girme ve dolayısıyla detektörle etkileşme şansını artırsınlar.

Ancak, bir sıkıntı var: Nötrinolar atomları oluşturan nötron, proton ve elektronlar gibi ışığı doğrudan yansıtmazlar. Nitekim nötrinodan yapılma bir masanız olsaydı (bu imkansıdır) bu masayı parlak spot ışığında bile göremezdiniz.

Nötrino detektörleri de nötrinoları dolaylı yoldan görüyor: Detektörler genellikle ağır su veya özel sıvılar içeren dev tanklardan oluşuyor. Nötrinolar bu sıvıları oluşturan atomlarla kırk yılda bir etkileşime girdiği zaman da elektron ve muon gibi parçacıklara dönüşüyor. Bunlar suda ışık saçıyor.

Şimdi diyeceksiniz ki “Tamam hocam, sorun yok. Kırk yılda bir de olsa nötrinolar detektörlerdeki sıvıyla etkileşime girerler ve biz de bu ışığı görüp onları tespit ederiz.” Keşke o kadar kolay olsaydı! Nötrinolar detektör sıvılarıyla yılda belki bir kez etkileşime giriyor ve belki tek bir foton saçıyor.

Nötrino körlüğü

Oysa Dünya’nın en hassas ışık sensörlerini kullansak bile biz bu fotonları göremiyoruz. Tabii sensörlerimiz tek bir fotonu bile görecek kadar duyarlı; ama Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle, bütün detektörlerin içinde sinyal gürültüsü oluşuyor. Bu da bir tür ışık kirliliğine yol açıyor. Kısacası fotonlara bakınca hangisinin nötrino kaynaklı foton olduğunu anlamıyoruz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

Negatif Çerenkov ışıması çizimi.

 

Peki ne yapabiliriz?

Nötrinoların saçtığı fotonlara tek tek zum yapmamız imkansız: Tekil fotonları algılayan sensörler üretebiliriz; ama tek bir fotona odaklanan atomaltı mercek yapamayız. Zaten o fotonu görsek bile kimliği belirsiz olacak. Öyleyse nötrino ışığını gürültü ışığından ayırmanın bir yolunu bulmamız gerekiyor. Bu durumda bizi ancak Çerenkov radyasyonu kurtarabilir. Neden derseniz:

Çerenkov radyasyonu elektron ve muon gibi elektrikli yüklü parçacıklar su veya cam gibi ortamların içinden geçerken ortaya çıkar dedik. Nötrinolar da ağır su ile etkileşime girince elektron ve muon gibi parçacıklar açığa çıkarıyor. Güzel, biz de bu özelliği kullanarak nötrinoları tespit edebiliriz.

Sonuçta Sudbury Nötrino Gözlemevi gibi bazı nötrino detektörleri, normal sudan daha yoğun olduğu için nötrino etkileşimi şansını artıran ağır su tankları kullanıyor. Ağır su tek proton çekirdekli standart hidrojen atomu yerine (H2O), bir proton ve bir nötrondan oluşan ağır döteryum izotopları içeriyor.  Dolayısıyla nötrinoları yakalama şansı daha yüksek oluyor. Şimdi bunu nasıl yaptığına bakalım:

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

Sudbury ağır su tankının dıştan görünüşü.

 

Elektronlar ve Çerenkov radyasyonu

Elektron suyun içinden geçerken belirli bir yönde gidiyor (vektör) ve hareket yönü üzerindeki atomlarla elektromanyetik etkileşimlere giriyor. Bu da elektronun hareket yönüne dik olarak ve koni şeklinde bir enerji alanı yaymasına neden oluyor. İşte buna Çerenkov radyasyonu diyoruz:

Çerenkov radyasyonu hem enerjik mavi dalga boyunda olduğu, hem de elektronun gidiş yönüne doğru tıpkı far ışığı gibi yayıldığı için bir anlamda kendinden odaklı oluyor. Parlak mavi renkte olan ve aynı zamanda elektronların geldiği yönü gösteren Çerenkov radyasyonu, nötrinoların oluşturduğu elektronların ışığını, gürültü ışığından ayırt etmemizi sağlıyor.

İşte Sudbury Nötrino Gözlemevi gibi yeraltı tesislerindeki ağır su tanklarında nötrinoları böyle saptıyoruz. Bu durumda koni şekilli Çerenkov ışımasının açısı iki faktöre bağlı oluyor:

  • Parçacığın hızı (Velektron, ağır sudan geçerken ışıktan hızlıdır)
  • Ve ışığın ağır sudan geçiş hızı (Vışık)

Nitekim formül çok basittir: θ = cos-1 (vışık/vparçacık). Türkçe söylersek ışık konisinin açısı, bu iki hızın birbirine oranının ters kosinüsüne eşittir. İşte bu yüzden felsefe ve bilim için önce matematik okuyun diyorum. Matematik, Çerenkov radyasyonunu nötrino saptamakta nasıl kullandığımızı gösteriyor. 🙂

İlgili yazı: Satürn Uydusu Titan’da Mini Nil Nehri Keşfedildi

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar

Pavel Çerenkov.

 

Reaktörlere geri dönecek olursak

Dedik ki nükleer reaktörler büyük miktarda ölümcül radyasyon saçıyor ve reaktör sıcaklığı çeliği, hatta titanyumu eritecek kadar yükseliyor. Öyle ki reaktörleri soğutmazsak bunların çekirdek sıcaklığı 2000 dereceyi aşabilir. Biz de bu yüzden reaktör çekirdeklerini ağır su havuzlarının dibine yerleştiriyoruz. Böylece hem reaktörü soğutuyor, hem de radyasyonu kesiyoruz. Peki nasıl kesiyoruz?

Öncelikle atomları parçalayan nötron parçacıkları ağır suda yavaşlıyor: Ağır su molekül başına sadece fazladan iki nötron içeriyor. Bu nedenle reaktördeki nötronlar ağır sudaki döteryum izotoplarına çarptığı zaman onlara zarar vermeden yavaşlıyor. Böylece biz de maddeyi delik deşik eden ve atomlarını kemiren sert nötron radyasyonunu önlemiş oluyoruz.

Bakın burası önemli ©: Çelik, sudan daha yoğundur; ama sırf bu yüzden reaktör çekirdeğini çelikle sararak radyasyonu kesemeyiz. Nötronlar çeliği oluşturan demir atomlarına çarpınca onları da radyoaktif hale getirirler. Zaten nükleer radyasyonun en kötü özelliği budur: Değdiği yeri de radyoaktif yapıyor.

Öte yandan, ağır sudaki nötronlar ve reaktördeki atom parçalayan nötronlar aynı kütlede ve aynı enerjide oluyor. Ağır su bu sayede çok iyi bir radyasyon kalkanı olarak çalışıyor. Kıssadan hisse: Kütle enerjinin bir özelliğidir ve radyasyon enerjidir. Öyleyse radyasyonu uygun madde ile kesmek gerekir.

İlgili yazı: Nükleer Makarna Çelikten 10 Milyar Kat Sert

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar 

Yetmez ama Çerenkov radyasyonu var

Reaktör havuzlarında Çerenkov radyasyonu olmasaydı bütün reaktörleri yüzlerce metre kalınlığında çelik, beton ve kurşunla sarmamız gerekirdi. Bu da pratik olmazdı; çünkü nükleer radyasyon sadece nötronlardan oluşmuyor. Yüksek enerjili fotonları da kesmek gerekiyor ki bunlar X-ışını ve Gama ışınlarıdır. Ayrıca reaktörler elektron radyasyonu da yayıyor. İşte Çerenkov ışıması bunları kesiyor:

Sonuçta Çerenkov radyasyonu hem enerji hem de momentum taşıyor. Örneğin X-ışını fotonları suda Çerenkov radyasyonu yayarak enerji kaybediyor ve ağır su havuzundan dışarı zararsız mavi ışık olarak çıkıyor (Elbette Röntgen birimiyle ölçülen bir miktar foton radyasyonu yüzeye ulaşıyor; ama bütün gün havuzun başında yatıp kalkmadığınız sürece zararsızdır).

Elektronlar ise foton emerek enerji kazanır ve foton yayarak enerji kaybederler. Kısacası elektronlar ağır su ile etkileşime girerek mavi ışık saçtıkları zaman enerji kaybetmiş oluyor. Öyleyse su gerçekten de hayat verir ve biz de burada kısaca nötrino detektörlerine geri dönecek olursak:

Çerenkov radyasyonunun açısına bakarak mavi ışığa hangi parçacığın yol açtığını görebiliyoruz. İşte bu yüzden nötrino detektörlerini oluşturan küre şekilli su tanklarının iç çeperlerine yüzlerce detektör döşüyoruz. Böylece fotonların ve elektronların ışımasını nötrino radyasyonundan ayırabiliyoruz.

İlgili yazı: Mars için Yeni Nükleer Reaktör Kilopower

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar

 

Biraz da tarihini görelim

İngiliz elektrik mühendisi Oliver Heaviside 1888-89 yıllarında Çerenkov radyasyonunu öngördü. 1904 yılında ise Alman fizikçi Arnold Sommerfeld bunu bağımsız olarak öngördü ki kendisi, kuantum mekaniği keşfedildikten sonra hidrojen atomunun kuantum formülünü de geliştirecekti.

Ancak, 1905 yılında Einstein fotoelektrik etkiyi tanımlayan özel görelilik teorisini geliştirip güneş enerjisinin temellerini atmış oldu. Tabii aynı zamanda çok popüler oldu ve kimsenin aklına Çerenkov radyasyonunu araştırmak gelmedi.

Fizikçi Max Planck da aynı yıl yanlışlıkla kuantum fiziğini geliştirmişti ve herkesin gözü kuantumdaydı. 1910 yılında radyum elementinin saçtığı mavi ışığı inceleyen Marie Curie bile bunun Çerenkov radyasyonu olduğunu akıl edemedi.

Nihayet ağır elementlerin radyoaktif bozunumla fosforlu ışık saçması üzerine çalışan Rus fizikçi Pavel Čerenkov, elektronları suda aniden yavaşlattığı zaman mavi ışık saçtıklarını gördü. Hatta bu ışığın koni şeklinde vektörel, yani izotropik olduğunu keşfetti. Mavi ışığın açısına bakarak buna hangi parçacığın yol açtığını anlayabildi ve böylece 1934 yılında Çerenkov radyasyonunu keşfetmiş oldu.

İlgili yazı: Akkuyu Santrali Temiz Söylemini Çürüten 15 Kanıt

Çerenkov-radyasyonu-ve-ışıktan-hızlı-parçacıklar 

Nobel’e giden yol

Üç yıl sonra Čerenkov’un teorik fizikçi meslektaşları Igor Tamm ve Ilya Frank, Çerenkov radyasyonunu özel görelilik ve elektromanyetizma kurallarına göre tanımladılar. Böylece parçacık fiziğinde bugün de kullanılan ve nötrino avlamaya yarayan Çerenkov detektörlerini geliştirdiler.

Sonuç olarak iki fizikçi 1958 yılında Čerenkov ile birlikte Nobel ödülünü paylaştılar ve ışık hızını bazı şartlar altında aşabileceğimizi, bu sayede gelecekte Mars’a gidecek astronotları da uzaydaki zararlı radyasyondan nasıl koruyacağımızı göstermiş oldular.

Peki nükleer enerjinin zararlı radyoaktif atıklara yol açmasını nasıl önleyebiliriz? Onu da Radyoaktif Atıklar Lazerle Temizlenecek yazısında okuyabilir ve nükleer roketlerle Mars’a nasıl gideceğimizi de Nükleer Termal Roketler başlığında görebilirsiniz.

Çerenkov radyasyonunu anlayarak gerçekten temiz nükleer enerji üreten füzyon reaktörlerini nasıl geliştireceğimize hemen göz atabilir ve evrende ışıktan hızlı yolculuk etmenin bir yolu olup olmadığını da Warp Sürüşü projesinde inceleyebilirsiniz. Güzel bir hafta sonu olsun.

Çerenkov radyasyonu


1Cherenkov radiation from the quantum vacuum
2Accelerated-Cherenkov radiation and signatures of radiation reaction

2 Comments

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir