체렌코프 효과 문서 원본 보기

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[[파일:Advanced Test Reactor.jpg|섬네일|250px|[[개량 실험로]]의 노심에서 일어나는 체렌코프 복사 효과.]]
[[파일:Cerenkov Effect.jpg|섬네일|위|[[리드 연구용 원자로]]에서 일어나는 체렌코프 복사 효과.]]
[[파일:Cherenkov radiation-animation.gif|섬네일|체렌코프 효과의 원리를 나타낸 애니메이션.]]

'''체렌코프 효과'''(Čerenkov效果, {{llang|en|Čerenkov effect}}), '''바빌로프-체렌코프 효과'''(Vavilov–Cherenkov radiation) 라고도 알려져 있다.<ref>대체 가능한 철자 : Cherenkov, Čerenkov, Cerenkov, 그리고 Vavilov, Wawilow.</ref> [[하전 입자]](예:[[전자]])가 매질에서의 [[빛|빛의 위상속도]](<math>c=1/\sqrt{\epsilon\mu}</math>)보다 더 빠른 속도로 [[유전체 (물리학)|유전체]] 매질을 통과할 때 [[전자기파]]를 방출하는 효과다. 수중 [[원자로]]가 푸른 빛을 내는 특성을 가진 이유는 이 효과를 통해 방출되는 전자기파 때문이다. 그리고 이 때 방출되는 전자기파를 '''체렌코프 복사'''({{llang|en|Čerenkov radiation}})라고 부른다.

체렌코프 효과의 이름은 발견자인 [[소련|소비에트 연방]]의 물리학자 [[파벨 알렉세예비치 체렌코프]]의 이름을 따서 붙여졌다. 체렌코프는 이 효과를 1934년 처음으로 발견하고 이 공로로 [[1958년]] [[노벨 물리학상]]을 수여받았다.<ref>Cerenkov, P.A., [http://dbserv.ihep.su/hist/owa/hw.move?s_c=VAVILOV+1934&m=1 "Visible Emission of Clean Liquids by Action of γ Radiation"] {{웹아카이브|url=https://web.archive.org/web/20071022200847/http://dbserv.ihep.su/hist/owa/hw.move?s_c=VAVILOV+1934&m=1}}, ''Doklady Akad. Nauk SSSR'' 2 (1934) 451. Reprinted in
Selected Papers of Soviet Physicists, ''Usp. Fiz. Nauk'' 93 (1967) 385. V sbornike: Pavel Alekseyevich Čerenkov: Chelovek i Otkrytie pod redaktsiej A. N. Gorbunova i E. P. Čerenkovoj, M.,"Nauka,'' 1999, s. 149-153.</ref> 이 효과에 대한 이론은 후에 [[이고리 예브게니예비치 탐|이고르 탐]]과 [[일리야 프란크]]가 [[알베르트 아인슈타인|아인슈타인]]의 [[특수 상대성이론|특수 상대성 이론]]을 기반으로 하여 발전시켰다. 그들 또한 체렌코프와 함께 노벨상을 수상했다.

체렌코프 효과는 [[영국]]의 [[수리물리학|수리 물리학]]자이자 [[전기공학|전기 공학]]자인 [[올리버 헤비사이드]]가 1888-89년 출판했던 논문에 의해서 이론적으로 예견된 바가 있다.<ref>{{서적 인용|url=https://books.google.com/books/about/Oliver_Heaviside.html?id=e9wEntQmA0IC |year=1988 |pages=125–126 |title=Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age |isbn=9780801869099 |last1=Nahin |first1=P. J.}}</ref>

== 물리적 유래 ==
[[전기역학]]에 따르면, [[진공]] 상태에서의 [[빛|빛의 속도]]는 [[물리 상수|보편적인 상수]](''c'')를 갖는다. 하지만 빛이 타 매질 내에서 전파되는 속도는 ''c''보다 상당히 낮을 수 있다. 실제 예를 들자면, [[물]]속에서의 빛 전파 속도는 0.75c에 불과하다. [[물질]]은 핵반응을 통해, 또는 [[입자 가속기]] 속에서 이 이상으로 가속할 수 있다. (하지만 여전히 ''c'' 미만의 속도를 가짐) 체렌코프 효과는 대전 입자, 그 중에서도 가장 일반적으로 [[전자]]가 그 매질에서의 광속보다 더 빠른 속도로 [[유전체 (물리학)|유전체]] (전기학상으로 분극 가능한) 매질을 통과할 때 생긴다.

이때 말하는 빛의 속도는 빛의 [[군속도]]가 아닌 [[위상 속도]]이다. 위상 속도는 주기적으로 매질을 사용함으로써 극적으로 바꿀 수 있으며, 이 경우에는 최소 입자 속도에 도달하지 않더라도 체렌코프 효과를 관찰할 수 있다(이것은 [[스미스-퍼셀 효과]]로 알려져 있다). [[광자 결정]] 등의 복잡하고 주기적인 매질에서는 역방향 방사선과 같은 특이하고 다양한 체렌코프 효과의 모습을 관찰할 수 있다. (일반적으로 체렌코프 효과는 입자 속도의 예각 방향으로 방사됨)<ref name="Luo03">{{저널 인용|url=http://www-math.mit.edu/~stevenj/papers/LuoIb03.pdf|doi=10.1126/science.1079549|title=Cerenkov Radiation in Photonic Crystals|year=2003|last1=Luo|first1=C.|journal=[[사이언스|Science]]|volume=299|issue=5605|pages=368–71|pmid=12532010|last2=Ibanescu|first2=M.|last3=Johnson|first3=S. G.|last4=Joannopoulos|first4=J. D.|bibcode=2003Sci...299..368L}}</ref>

[[파일:cherenkov.svg|섬네일|체렌코프 효과의 기하학. (굴절이 없는 이상적인 경우)]]

하전 입자가 이동함에 따라 하전 입자는 그 매질의 국소 [[전자기장]]을 방해한다. 특히, 매질은 입자의 전기장에 의해 전기적으로 분극화된다. 입자가 천천히 움직이면 방해는 탄력적으로 완화되고 입자가 지나갈 때 [[물리적 평형]] 상태로 되돌아간다. 입자가 충분히 빠르게 이동할 때에도 불구하고 입자의 반응속도가 제한되는 것은 입자의 각성 후에 방해가 있다는 것을 나타낸다. 그리고 이러한 방해에 포함되어 있는 에너지는 [[결맞음|응집력 있는]] 충격파로서 방사된다.

체렌코프 효과는 [[초음속]] [[항공기]]나 [[총알]]이 이동할 때 생기는 [[소닉붐]]으로 종종 비유되곤 한다.
초음속체에 의해서 생성된 [[소리|음파]]는 소리의 속도로 전파되는데(그러므로 음파는 초음속체보다 느린 속도를 갖게 된다). 따라서 음파는 초음속체보다 느리게 움직이게 되며, 초음속체보다 앞으로 나아갈 수 없게 된다. 그로 인해 초음속체보다 느리게 움직이던 소리가 초음속체보다 먼저 진행되던 소리와 부딪혀 공기가 급격히 압축되고, 그것이 [[충격파]]를 형성한다. 비슷한 현상으로 하전 입자가 절연체를 통과할 때 가벼운 광파를 형성한다.

이 문서의 네 번째 그림에서 입자(빨간색 화살표)는 <math>c/n<v_\text{p}<c</math>와 같은 <math>v_\text{p}</math>의 속도로 이동한다. 여기서 <math>c</math>는 [[진공|진공 상태]]에서의 [[빛|빛의 속도]]이고, <math>n</math>은 매질의 [[굴절률]]이다. (매질이 물일 경우 상태가 <math>n=1.33</math>인 이유는 물이 20&nbsp;°C일 때에 <math>0.75c<v_\text{p}<c</math>이기 때문)

입자의 속도와 빛의 속도 사이의 비율을 <math>\beta=v_\text{p}/c</math>로 정의하도록 하겠다. 방출된 [[전자기복사|광파]](파란색 화살표)는 <math>v_\text{em}=c/n</math>의 속도로 이동한다.

삼각형의 왼쪽 모서리는 초기의 순간인 (''t = 0'')에서 초광속 입자의 위치를 나타낸다. 삼각형의 오른쪽 모서리는 나중에 시간 t에서 입자의 위치를 나타낸다. ''t''가 주어진다면 입자가 이동하는 거리는 <math>x_\text{p}=v_\text{p}t=\beta\,ct</math>이며,

방출된 전자기파는 <math>x_\text{em}=v_\text{em}t=\frac{c}{n}t</math> 의 거리를 이동한다.

그렇기에 방사 각도는 <math>\cos\theta=\frac1{n\beta}</math> 라는 결론이 나온다.

이 비율은 시간과 무관하므로, 임의의 시간을 적용하더라도 [[닮음 (기하학)|닮은꼴의 삼각형]]을 얻을 수 있다. 각도는 동일하게 유지된다. 즉, 초기 시간 ''t'' = 0과 마지막 시간 ''t'' 사이에 생성된 후속파가 표시된 오른쪽 끝점과 일치하는, 유사한 삼각형을 형성한다는 것이다.

=== 체렌코프 효과의 역(逆) ===
체렌코프 효과의 역(逆)은 '음의 굴절률의 [[메타 물질|메타물질]]'이라는 물질을 사용하여 증명할 수 있다.

== 같이 보기 ==
* [[소음의 색상]]
* [[제동 복사]]
* [[초광속]]
* [[광원 목록]]
* [[타키온]]
== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
{{위키공용분류}}
* {{언어링크|en}} [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/relativ/einvel.html Hyperphysics on Čerenkov radiation]

{{전거 통제}}

[[분류:입자물리학]]
[[분류:특수 상대성이론]]
[[분류:물리학 개념]]