รังสีเชอเรนคอฟ หรือ การแผ่รังสีเซเรนโกฟ*
(Cerenkov radiation)

สุรศักด์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ไม่มีอนุภาคใดที่สามารถจะเคลื่อนไปในสุญญากาศได้เร็วกว่าแสง แต่ในวัตถุตัวกลาง แสงกลับเคลื่อนไปได้ช้าลง เพราะเกิดอันตรกิริยากับสนามไฟฟ้าของอะตอมในตัวกลาง ดังนั้น อนุภาคพลังงานสูงอื่น ๆ ก็อาจเคลื่อนไปในวัตถุบางชนิดได้เร็วกว่าแสงก็ได้ โดยในวัตถุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า หากมีอนุภาคที่มีประจุ เคลื่อนผ่านด้วยความเร็วที่สูงกว่าความเร็วของแสงในวัตถุนั้น อนุภาคนั้นสามารถแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา เป็นรูปกรวยรอบทิศทางที่อนุภาคนั้นเคลื่อนไป และมองเห็นได้เป็นแสงเรืองสีฟ้าเมื่องวัตถุตัวกลางนั้นโปร่งใส ซึ่งตามปกติพบเห็นได้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือเครื่องฉายรังสีแบบสระน้ำ (ความเร็วของแสงในน้ำเหลือเพียง 75 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วในสุญญากาศ) รังสีนี้เรียกว่า รังสีเชอเรนคอฟ หรือ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การแผ่รังสีเซเรนโกฟ โดยได้ชื่อตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย พาเวล อะเลกเซเยวิช เซเรนคอฟ (Pavel Alexsejevich Cerenkov) ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้เป็นคนแรก

รังสีเชอเรนคอฟภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสระน้ำ
คลื่นน้ำเคลื่อนที่ออกจากจุดที่ก้อนหินตก

คำอธิบายของการเกิดรังสีเชอเรนคอฟ พอจะเปรียบเทียบได้กับการลองโยนก้อนหินลงไปในน้ำนิ่ง จะเห็นคลื่นน้ำเคลื่อนที่ออกจากจุดที่ก้อนหินตกออกมาเป็นวงซ้อน ๆ กันเรียกว่า หน้าคลื่น ซึ่งความเร็วที่หน้าคลื่นเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นและความถี่ของคลื่น

แต่ถ้าหากว่ามีปาฏิหาริย์เกิดขึ้น ทำให้ก้อนหินที่ตกลงไปในน้ำนั้นเคลื่อนที่ไปได้ด้วย เช่นเคลื่อนไปทางขวาด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วของหน้าคลื่นที่ขยายเป็นวงออกไป หน้าคลื่นที่เกิดภายหลังก็จะไปไล่ทันหน้าคลื่นที่เกิดขึ้นก่อนได้ (ดังในรูป a) และเมื่อก้อนหินนั้นเคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วของคลื่นที่เคลื่อนเป็นวงออกไป หน้าคลื่นที่เกิดเป็นวง ๆ ในภายหลังก็จะแซงหน้าคลื่นที่เกิดขึ้นก่อนได้ แต่เนื่องจากหน้าคลื่นที่เกิดภายหลังย่อมมีขนาดเล็กกว่า ลักษณะของคลื่นที่เกิดขึ้นโดยรวมจึงมีลักษณะเป็นรูปกรวย (ดังในรูป b)

ในทำนองเดียวกัน ถ้าแทนที่ก้อนหินด้วยอนุภาคที่มีประจุ และเคลื่อนเข้าไปในวัตถุตัวกลาง ในกรณีนี้ประจุที่เคลื่อนที่เร็ว จะฝ่าเข้าไปในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวกลาง ทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมของตัวกลางถูกกระตุ้นจากพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุนั้น เมื่ออนุภาคเคลื่อนผ่านเลยไป อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้น ก็กลับคืนสถานะเดิม โดยการปล่อยพลังงานที่ได้รับ จากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของอนุภาค ออกมาเป็นคลื่นโฟตอน ทำนองเดียวกับการเกิดคลื่น เมื่อโยนก้อนหินลงไปในน้ำ และหากอนุภาคเคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วของคลื่นโฟตอนที่ปล่อยออกมา คลื่นโฟตอนก็จะมีลักษณะของหน้าคลื่น เคลื่อนเป็นรูปกรวย ตามไปกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุนั้น (ตัวกลางที่เป็นตัวนำไฟฟ้า จะสามารถเก็บพลังงานจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จากอนุภาคเคลื่อนที่เอาไว้ได้ และไม่ปล่อยโฟตอนออกมา)

 
  c คือ ความเร็วของแสงในสุญญากาศ และ n คือ ดัชนีหักเห (refraction index) ของแสงภายในตัวกลาง ดังนั้น ความเร็วของแสงในวัตถุตัวกลางจึงเท่ากับ c/n ส่วนอนุภาคเคลื่อนไปภายในตัวกลางภายในเวลา t ด้วยความเร็ว v โดย ?=v/c และลูกศรสีน้ำเงินคือ โฟตอน

เนื่องจากอนุภาคเคลื่อนที่ได้ไม่เกินความเร็วของแสง ความถี่ของคลื่นโฟตอนที่เกิดขึ้นได้ จึงมีขีดจำกัดอยู่ว่าไม่สามารถเกิดรังสีเอกซ์หรือรังสีแกมมาได้ ดังนั้น สเปกตรัมของรังสีเชอเรนคอฟที่เกิดขึ้น โดยมากจะเกิดในช่วงรังสีอัลตราไวโอเลต และในช่วงที่ต่ำลงมา โดยเฉพาะสีม่วงและสีน้ำเงิน แต่ทว่าตาของมนุษย์ เห็นได้ดีที่สุดในช่วงแสงสีแดงไปจนถึงสีเขียว และประสิทธิภาพไม่ดีเอาเลยในช่วงแสงสีม่วง ดังนั้น เราจึงเห็นรังสีเชอเรนคอฟเป็นแสงสว่างเรืองสีน้ำเงินเสมอ

ความเข้มของรังสีเชอเรนคอฟที่แผ่ออกมานั้น มีตัวแปรอยู่ 2 อย่าง คือ แปรตามความเร็วของอนุภาค และจำนวนของอนุภาคความเร็วสูงนั้น ยกตัวอย่าง เมื่อเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เกิดปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส ซึ่งมีอิเล็กตรอนพลังงานสูงเกิดขึ้นด้วยจำนวนมาก และทำให้เกิดรังสีเชอเรนคอฟ ดังนั้น ยิ่งเมื่อเกิดปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียสมาก รังสีเชอเรนคอฟที่กิดขึ้น ก็ยิ่งสว่างเรืองรองมากขึ้น และใช้เป็นตัววัดการเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสได้ไปในตัว นอกจากนี้ สำหรับเชื้อเพลิงใช้แล้ว ก็มีรังสีเชอเรนคอฟเกิดขึ้นด้วย ความเข้มของรังสีเชอเรนคอฟที่เกิดขึ้น จึงเป็นตัวบอกได้ว่า เชื้อเพลิงยังมีกัมมันตภาพรังสีเหลืออยู่มากน้อยเพียงใด

รังสีเชอเรนคอฟยังใช้ตรวจหาการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์บางชนิดได้ด้วย เพราะปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าว มักปล่อยอนุภาคความเร็วสูงบางชนิดออกมาด้วย เช่น ใช้ตรวจหาอนุภาคนิวทริโน และแม้แต่สามารถจำแนกนิวทริโนต่างชนิดกันได้ด้วย ได้แก่ อิเล็กตรอนนิวทริโน และมิวออนนิวทริโน

 
  รูปกรวยของรังสีเชอเรนคอฟของมิวออนนิวทริโนจะเป็นกรวยเดียวชัดเจน (บน) และของอิเล็กตรอนนิวทริโน (ล่าง) ซึ่งจะเกิดหลายกรวยซ้อนกัน
*การแผ่รังสีเซเรนโกฟ มาจากหนังสือศัพท์วิทยาศาสตร์ฉบับราชบัณฑิตยสถาน พิมพ์ครั้งที่ 5 (แก้ไขเพิ่มเติม) หน้า 669 ความว่า “๔๙. Cerenkov, Pavel Alexsejevich (เซเรนคอฟ, พาเวล อะเลกเซเยวิช) ค.ศ. 1904-1990, โซเวียต, Cerenkov radiation การแผ่รังสีเซเรนโกฟ” จากการสอบถามไปที่เว็บบอร์ดของราชบัณฑิตยสถาน ได้รับคำอธิบายว่า “..ชื่อนักวิทยาศาสตร์จะอ่านตามสำเนียงภาษาของนักวิทยาศาสตร์ชาตินั้น ๆ คือทับศัพท์ตามสัญชาติ ในที่นี้คือชาวรัสเซีย.. ส่วนผลงานอ่านตามสำเนียงใน Chamber Twentieth Century Dictionary”