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2025-10-27T20:12:36Z

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[[Datei:HFIR Refueling July 2015 (19963344882).jpg|alternativtext=blaues Leuchten um in Wasser tauchende Rohre|mini|Tscherenkow-Strahlung im Kühlwasser beim [[Brennelement]]etausch des High Flux Isotope Reactor (HFIR) am [[Oak Ridge National Laboratory]] (ORNL). Der spezielle 85 MW-Forschungsreaktor hat den höchsten stationären [[Neutronenfluss]] in den USA. In Europa ist der Hochflussreaktor des [[Institut Laue-Langevin|Instituts Laue-Langevin]] (ILL) einer der leistungsstärksten mit ca. 58 MW thermischer Leistung.]]
'''Tscherenkow-Strahlung''' (auch '''Čerenkov-''' oder – in englischer [[Transkription (Schreibung)|Transkription]] – '''Cherenkov-Strahlung''' geschrieben) entsteht durch den '''Tscherenkow-Effekt''' und ist [[elektromagnetische Strahlung]], die beim Durchgang geladener Teilchen (z. B. [[Elektron]]en) durch ein lichtdurchlässiges Medium entsteht, wenn diese schneller sind als das sich im Medium ausbreitende [[Licht]]. Der Effekt zeigt sich als blaues Leuchten. Die Lichterscheinung war bereits von [[Marie Curie|Marie]] und [[Pierre Curie]] beobachtet worden, konnte jedoch nicht erklärt werden.

Tscherenkow-Strahlung kann zum Beispiel in [[Abklingbecken]] von [[Kernkraftwerk]]en rund um die dort in das Kühlwasser getauchten radioaktiven Brennelemente beobachtet werden. Die auslösenden schnellen Elektronen sind teils Bestandteil der [[Betastrahlung]] der Brennelemente, teils entstehen sie durch die [[Compton-Effekt|Compton-Streuung]] der von diesen ausgesandten [[Gammastrahlung|Gammaquanten]] an [[Atomhülle]]n.

In der Hochatmosphäre entstehende [[Tscherenkow-Blitz]]e werden zur Analyse der [[Kosmische Strahlung|kosmischen Strahlung]] verwendet. [[Raumfahrer]] berichten von solchen Blitzen, die sie bei geschlossenen Augen wahrnehmen, die mit gleicher Ursache in deren [[Glaskörper]] entstehen.

Die Tscherenkow-Strahlung ist nach ihrem Entdecker [[Pawel Alexejewitsch Tscherenkow]] benannt. 1958 erhielten er, [[Igor Jewgenjewitsch Tamm]] und [[Ilja Michailowitsch Frank]] den [[Nobelpreis für Physik]] für die Entdeckung und Deutung des Tscherenkow-Effekts.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.leopoldina.org/fileadmin/redaktion/Mitglieder/CV_Tamm_Igor_D.pdf |titel=Curriculum Vitae Prof. Dr. Igor Jewgenjewitsch Tamm |werk=[[Leopoldina]] |datum=2016-11-25 |abruf=2025-10-27}}</ref>

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

== Theoretische Grundlagen ==
[[Datei:Cherenkov.svg|mini|hochkant=1.2|Tscherenkow-Effekt<br />(idealer Fall ohne [[Dispersion (Physik)|Dispersion]])]]
Tscherenkow-Strahlung ist [[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]] bewegen. Der Tscherenkow-Effekt kann in Medien mit [[Brechungsindex]] <math>n > 1</math> auftreten, weil im Gegensatz zur [[Lichtgeschwindigkeit]] im Vakuum von {{ZahlExp|299792,458|pre=''c =''|post=km/s}}
beispielsweise in Wasser die Geschwindigkeit des Lichts nur etwa {{ZahlExp|225000|pre=''c′ ≈''|post=km/s}} beträgt und so Teilchen dort schneller sein können als das Licht (nie aber schneller als das Licht im Vakuum).

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

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) = \frac{c'}{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.

Das Frequenzspektrum der entstehenden Tscherenkow-Strahlung kann gemäß der [[Frank-Tamm-Formel]] berechnet werden:

:<math>\frac{\mathrm{d}^2E}{\mathrm{d}x \, \mathrm{d}\omega} = \frac{q^2}{4 \pi} \mu(\omega) \omega {\left(1 - \frac{c^2} {v^2 n^2(\omega)}\right)} </math>

Diese Formel beschreibt die Menge an Energie, die pro Frequenzabschnitt <math>\mathrm{d}\omega</math> und Wegelement <math>\mathrm{d}x</math> für ein Teilchen der Ladung <math>q</math> emittiert wird. <math>\mu(\omega)</math> ist dabei die frequenzabhängige [[magnetische Permeabilität]] und <math>n(\omega)</math> der frequenzabhängige Brechungsindex des Mediums. Die Energie ist dadurch begrenzt, dass bei sehr viel höheren Frequenzen als das sichtbare Licht der Brechungsindex schließlich 1 wird.

Im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann die magnetische Permeabilität und der Brechungsindex im Fall von Wasser als Medium als näherungsweise konstant angenommen werden. Wegen

:<math>E \sim\omega^2 </math>

und

: <math>E = N \hbar \omega\quad</math> ''N'' = Anzahl der Photonen

ist das Spektrum in diesem Bereich zu höheren Frequenzen hin ansteigend. Bei höheren Frequenzen werden mehr Photonen emittiert als bei niedrigeren Frequenzen, was die blaue Farbe der Tscherenkow-Strahlung erklärt.

Die minimale kinetische Energie <math>E</math> eines Teilchens der Masse <math>m</math>, die zur Emission von Tscherenkow-Strahlung in einem Medium mit dem Brechungsindex <math>n</math> notwendig ist, beträgt:

:<math>E = m c^2 \left( \frac{n}{\sqrt{n^2 - 1}} - 1\right)</math> .

Dies folgt aus der notwendigen kinetischen Energie des Teilchens, welche auf Grund der hohen Geschwindigkeit relativistisch betrachtet werden muss:

:<math>E_\text{kin} = m c^2 \left( \gamma - 1\right)</math>

mit dem [[Lorentzfaktor]]

:<math> \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}</math>.

Die Geschwindigkeit <math>v</math> des Teilchens muss größer sein als die Lichtgeschwindigkeit im durchstrahlten Medium <math>c' </math> mit dem Brechungsindex <math>n</math>:

:<math> v > v_\text{min} = c' = \frac{c}{n} </math>

Die Mindestenergie <math>E_\text{min}</math> ergibt sich somit zu:

:<math>E_\text{min} = m c^2 (\gamma - 1)= m c^2 \left( \frac{1}{\sqrt{1 - v_\text{min}^2/c^2}} - 1\right) = m c^2 \left( \frac{1}{\sqrt{1 - 1/n^2}} - 1\right) = m c^2 \left(\frac{n}{\sqrt{n^2 - 1}} - 1\right).</math>

2001 wurde im Stuttgarter [[Max-Planck-Institut für Festkörperforschung]] und bei der [[University of Michigan]] vorhergesagt und entdeckt, dass kegelförmige Tscherenkow-Strahlung auch bei Unterlichtgeschwindigkeit durch Nichtlinearitäten in bestimmten Medien auftreten kann.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.kworkquark.net/nachrichten/tscherenkowstrahlung/wissensdurst2.html |text=DESYs KworkQuark - Nachricht vom 16. April 2001: Tscherenkows Doppelleben |wayback=20071213020714}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=T. E. Stevens, J. K. Wahlstrand, J. Kuhl, R. Merlin |url=https://www.science.org/doi/10.1126/science.291.5504.627 |titel=Cherenkov Radiation at Speeds Below the Light Threshold. Phonon-Assisted Phase Matching |werk=Science |sprache=en |datum=2001-01-26 |abruf=2025-10-27}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://web.archive.org/web/20010202173400/http://www.mpg.de/pri01/pri0102.htm |titel=Presseinformation - Tscherenkow-Strahlung erscheint in neuem Licht |werk=Max-Planck-Gesellschaft |datum=2001-01-26 |abruf=2025-10-27}}</ref>

== Anwendungen ==
[[Datei:Magic-Telescope.jpg|mini|hochkant=1.2|Tscherenkow-Teleskop [[MAGIC-Teleskop|MAGIC]]]]
[[Datei:FACTmoon.JPG|mini|hochkant=1.2|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 (sog. Sekundärteilchen) 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. 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. Bekannte Projekte sind [[MAGIC-Teleskope|MAGIC]], [[High Energy Stereoscopic System]], [[FACT (Teleskop)|FACT]] und [[Cherenkov Telescope Array]]. Diese Sekundärteilchen und damit die ursprünglichen kosmischen Teilchen können auch nachgewiesen werden, indem die Sekundärteilchen auf mit Wasser gefüllte Tanks (Tscherenkow-Tanks) treffen und im Wasser Tscherenkow-Strahlung auslösen. Ein Beispiel für ein solches Projekt ist das [[Pierre-Auger-Observatorium]].

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>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=[[Dieter Meschede]] |Titel=[[Gerthsen Physik]] |Auflage=23. |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=2006 |ISBN=3-540-25421-8}}
* {{Literatur |Autor=Gerhard Musiol, Johannes Ranft, Roland Reif |Titel=Kern- und Elementarteilchenphysik |Verlag=Wiley-VCH |Datum=1987 |ISBN=3-527-26886-3 |Seiten=1127}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Cherenkov radiation|Tscherenkow-Strahlung}}
* [https://cerncourier.com/a/sergei-vavilov-luminary-of-russian-physics/ Cern Courier zu Wawilow und der Entdeckung der Tscherenkow-Strahlung]
{{Normdaten|TYP=s|GND=4147494-6|LCCN=sh85023069}}

[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Elektromagnetische Strahlung]]

Tscherenkow-Strahlung - Versionsgeschichte

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