Cherenkov-Strahlung

Kricki · Gast

Hi,

kann mir einer sagen wieso es beim Cherenkov-Effekt keine Abstrahlung bei einer Teilchengeschwindigkeit kleiner als die Mediumlichtgeschwindigkeit gibt?
Ich mein, man stellt sich dass doch so vor, dass das durchfliegende (geladene) Teilchen lokal Dipole erzeugt die Strahlung emitieren; aber das tun sie doch auch wenn das Teilchen langsamer als c ist, oder?

Grüße.
Kricki

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Geladene Teilchen, die langsamer sind als die Lichtgeschwindigkeit im Medium, strahlen ebenfalls, aber viel schwächer.

Cherenkov-Strahlung ist viel stärker als diese normale Strahlung, denn sie ist wie der Knall eines Flugzeugs, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt ("das die Schallmauer durchbricht"), im Vergleich zu normalem Flugzeuglärm.

Schöne Bildlein dazu findet man z.B. dort (Achtung, Bilder werden sehr langsam geladen):

http://www.ikp.uni-koeln.de/reiter/files/detektoren/det06_cher.pdf

auf den Seiten 2 und 3.

Gast

achso, ich hab mir sowas schon gedacht, aber so steht das in keinem lehrbuch.
Weißt du auch, warum die Cherenkov-Strahlung immer blau ist?

Und kennst du dich zufällig auch mit der abbildenden stereoskopischen Cherenkov-Technik aus`?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Die Energie der Photonen der Cherenkov-Strahlung ist hoch, ihr Spektrum befindet sich am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums (also blau, violett, ultraviolett). Daher sieht Cherenkov-Strahlung blau aus.

Einen ähnlichen Effekt kennst du vielleicht von der Wärmestrahlung: bis zur Rotglut erhitzte Objekte emittieren ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen, das vom langwelligen Ende her ins Sichtbare hineinragt. Also erscheinen solche heißen Körper rot.
Noch heißere Körper glühen weiß, das heißt, der Schwerpunkt ihres Spektrums liegt voll im Sichtbaren, ihr Licht enthält ähnlich viel rote wie blaue Anteile, so dass es weiß erscheint.

Stereoskopische Cherenkov-Detektoren bestehen ja aus mehreren Detektoren, mit denen man die Herkunftsrichtung des Signals anhand von Koinzidenzmessungen bestimmen kann. Siehe z.B. auch

http://pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART12250DE.PDF

Hast du weitere Fragen dazu?

Kricki · Gast

genau das mein ich.

Konkret beschäftige ich mich mit dem HESS-Experiment ( http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/HESS.html ), welches dem HEGRA ja ähnlich zu sein scheint.

Ich frage mich im Moment nur, wie Bilder wie auf S.49 von dem Paper von HEGRA zustanden kommen. Das einfallende Licht wird ja auf eine Kamera im Brennpunkt des Hohlspiegels fokussiert, sollte dann nicht alles Licht in einem Punkt landen, und nicht solche Muster ergeben. Und wie kann man dann von solchen Mustern auf Einfallrichtung und Energie des primären Gamma-Quants schließen?

Zu dem blauen Leuchten: Die Frage ist eher: Kann man das irgendwie begründen (z.B. mit Hilfe der E-Dynamik irgendwie ausrechnen) dass das Licht blau ist.

Grüße.

Kricki

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Das Spektrum von Cherenkov-Licht ist unter anderem dadurch bestimmt, dass nur für bestimmte Bereiche von Wellenlängen die Bedingung erfüllt ist, dass der Brechungsindex für diese Wellenlänge größer als eins ist, so dass die Geschwindigkeit von Licht mit dieser Wellenlänge kleiner sein kann als die Geschwindigkeit des Teilchens. Eine Berechnung und Darstellung eines Spektrums findest du z.B. hier:

http://www.gae.ucm.es/~emma/tesina/node4.html

//edit: Okay, du meintest natürlich Seite 49 aus "meinem" Link. Also siehe unten mein nächster Beitrag.

Kricki · Gast

achso., ich meinte das von HEGRA, aus dem Link von dir.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Okay, du meintest natürlich Seite 49 aus "meinem" Link. Also:

Die Hohlspiegel bilden ja nicht alles Licht, das sie einsammeln, auf genau einen Punkt ab, egal von wo das Licht kommt. So wie du es vielleicht von dem Abbildungssystem eines Fotoapparats kennst, handelt es sich hier um eine Abbildung einer räumlichen Verteilung auf die Bildebene, nur dass hier in der Bildebene ein Raster von Fotomultipliern ist (und kein Film).

Kricki · Gast

also sieht man auf diesen Bildern die tatsächliche Verteilung der Photonen an diesem Ort.
Wie können aber solche Muster überhaupt entstehen, wenn die Cherenkov-Strahlung die ja in 10 km Höhe erzeugt wird, auf dem Erdboden einen Kegel mit ca. 120m Durchmesser ziemlich gleichmäßig ausleuchtet (hab ich irgendwo gelesen)?; s.a.: http://www.mpi-hd.mpg.de/astrophysik/HEA/HEA_Public_Relations/Articles/GamCheT/pics/S953-Abb7-25cm-d.jpg

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Die räumliche Verteilung, die hier abgebildet wird, also der abzubildende "Gegenstand" der Abbildung, ist die Verteilung der Punkte, die Quellen der Cherenkovstrahlung sind. Wenn diese Punkte so ein "Ei" bilden wie auf der Abbildung in deinem letzten Link, dann sieht man dieses Ei als einen elliptischen Fleck in der Bildebene.

Kricki · Gast

oh ja klar. Hab grad meinen schweren Denkfehler entdeckt.

Weißt du auch noch, wie man dann von diesen Mustern auf die Einfallrichtung des primären Gamma's schließen kann?

Und: Ist es möglich (z.B. mit klassischer Elektrodynamik) den Cherenkov-Effekt herzuleiten (wie man z.B. die Abstrahlung eines Hertzschen Dipols herleiten kann)?

Gruß.

Kricki

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Die Längsachse des elliptischen Bildes in der Bildebene zeigt ja radial zur Richtung der Verlängerung der Flugbahn des ursprünglichen Teilchens, das die Cherenkovstrahlung erzeugt. Hat man die Bilder von mehreren Detektoren, bekommt man also den "Auftreffpunkt" als Schnittpunkt der erhaltenen Längsachsen.

Eine Herleitung der Cherenkov-Strahlung erfolgt über die Berechung der Polarisation und der dadurch erzeugten resultierenden Dipole im Medium. Rechnungen findest du wohl am besten entweder in Büchern oder online in Diplom- oder Doktorarbeiten zu dem Thema, meist in den einleitenden Grundlagenkapiteln. Siehe z.B.:

http://www.physnet.uni-hamburg.de/services/fachinfo/___Volltexte/Martin___Tluczykont/Martin___Tluczykont.pdf

In diesem Beispiel findest du in Kapitel 3 ein bisschen was zu den Grundlagen der Cherenkov-Strahlung, und in Kapitel 4 detailliertere Informationen und Bilder zur Richtungsrekonstruktion (z.B. Seite 40)

Naemi · Moderator Anmeldungsdatum: 01.06.2004 Beiträge: 497 Wohnort: Bonn

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

@Naemi:

Ich glaube, du sprichst da gerade von Neutrinodetektoren. Da verursachen Neutrinos in Tanks mit schwerem Wasser eine Reaktion, die sehr schnelle Elektronen freisetzt, die Cherenkov-Strahlung erzeugen, welche dann in Photomultipliern nachgewiesen wird.

http://www.lextoday.de/Sudbury_Neutrino_Observatory

Die Cherenkov-Strahlung, von der wir gesprochen hatten, wird bereits in der Atmosphäre erzeugt durch Teilchen, die sich schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit in Luft.

Naemi · Moderator Anmeldungsdatum: 01.06.2004 Beiträge: 497 Wohnort: Bonn

Ich habe mir jetzt mal das HESS-Projekt angeschaut, und bin schwer beeindruckt (was man heutzutage alles mit Physik machen kann).

Markus, du hast natürlich recht. Die Teleskope können aber nicht bei hellem Mondschein arbeiten (dann wird nämlich das Signal überleuchtet) und haben wohl auch nicht so eine dolle Winkelauflösung.
Wenn ich es richtig verstehe, kommt ein hochenergetisches Gammateilchen geflogen und reagiert in der Atmosphäre zu einem ganzen Teilchenschauer, der dann hübsche Cherenkov-Strahlung abgibt. Dann hätte man etwas mehr Licht zur Verfügung, das man messen könnte.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Einverstanden smile