शोध के लिए बने ऐसे जलकुंड की तस्वीर देखें, जिसमें परमाणु रिएक्टर को पानी में डुबोकर रखा जाता है, तो पूरा पानी एक रहस्यमय नीली रोशनी से चमकता दिखाई देता है। न कोई बत्ती जलाई गई होती है, न पानी में रंग मिलाया गया होता है, फिर भी रिएक्टर के कोर के आसपास का हिस्सा नीला दिखाई देता है, मानो वह खुद प्रकाश छोड़ रहा हो।
इस प्रकाश का नाम ही ‘चेरेनकोव विकिरण (Cherenkov Radiation)’ है। चेरेनकोव विकिरण उस प्रकाश को कहते हैं जो शंकु के आकार में तब फैलता है, जब कोई आवेशित कण पानी या काँच जैसे पदार्थ के भीतर उस पदार्थ में प्रकाश की गति से भी अधिक तेज चलता है।
इस सामग्री में हम क्रम से देखेंगे कि चेरेनकोव विकिरण की खोज कैसे हुई, यह प्रकाश किस सिद्धांत से उत्पन्न होता है, इसका रंग नीला क्यों होता है और इस प्रकाश की सहायता से ब्रह्मांड तथा पदार्थ के भीतर झाँकने के कौन-कौन से उपयोग हैं।
पदार्थ के भीतर प्रकाश से आगे निकलने वाले कणों का प्रकाश
चेरेनकोव विकिरण का रहस्य कैसे खुला
चेरेनकोव विकिरण की झलक कई लोगों ने पहले भी देखी थी, लेकिन एक युवा शोधकर्ता के लगातार प्रयोगों से ही आखिरकार उसकी वास्तविक प्रकृति सामने आई।
(1) पहले की क्षणिक झलकियाँ
ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी ओलिवर हेविसाइड (Oliver Heaviside) ने 1888 से 1889 के बीच यह सिद्धांत प्रस्तुत किया कि ऐसा प्रकाश उत्पन्न हो सकता है। 1910 में मैरी क्यूरी (Marie Curie) ने रेडियम के सघन विलयन में हल्की नीली रोशनी देखी, लेकिन उसके कारण पर अलग से शोध नहीं किया।
(2) चेरेनकोव का प्रयोग
1934 में सोवियत संघ के लेबेदेव संस्थान के पावेल चेरेनकोव (Pavel Cherenkov) ने अपने शोध निर्देशक सेर्गेई वाविलोव (Sergey Vavilov) के मार्गदर्शन में ऐसे तरल का अवलोकन करते हुए हल्की नीली रोशनी खोजी, जिसमें रेडियोधर्मी पदार्थ डुबोया गया था। उन्होंने पुष्टि की कि यह प्रकाश किसी खास दिशा में अधिक निकलता है और निष्कर्ष निकाला कि यह सामान्य प्रतिदीप्ति से अलग घटना है। इसीलिए इस प्रकाश को वाविलोव-चेरेनकोव विकिरण भी कहा जाता है।
(3) सिद्धांत और नोबेल पुरस्कार
1937 में उनके साथी भौतिक विज्ञानी इगोर टैम (Igor Tamm) और इल्या फ्रैंक (Ilya Frank) ने विशेष सापेक्षता के सिद्धांत के आधार पर इस प्रकाश के उत्पन्न होने का कारण समझाया। इस योगदान के लिए तीनों को संयुक्त रूप से 1958 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
प्रकाश से तेज होने का अर्थ
आइंस्टीन के सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार कोई भी वस्तु निर्वात में प्रकाश की गति, यानी लगभग 30 × दस हज़ार किलोमीटर प्रति सेकंड से तेज नहीं चल सकती। लेकिन जब कहा जाता है कि चेरेनकोव विकिरण तब उत्पन्न होता है जब कोई कण प्रकाश से तेज चलता है, तो पहली नज़र में यह विरोधाभास जैसा लगता है।
- निर्वात में प्रकाश (Speed of Light in Vacuum): इसकी गति लगभग 30 × दस हज़ार किलोमीटर प्रति सेकंड है और यह ब्रह्मांड की वह गति सीमा है जिसे कोई भी कण पार नहीं कर सकता।
- पदार्थ में प्रकाश (Phase Velocity of Light): किसी पदार्थ से गुजरते समय प्रकाश धीमा हो जाता है और पानी में उसकी गति घटकर निर्वात में उसकी गति की लगभग 75% रह जाती है।
- अपवर्तनांक (Refractive Index): यह मान बताता है कि किसी पदार्थ में प्रकाश कितना धीमा होता है और पानी के लिए यह लगभग 1.33 है।
मुख्य बात यह है कि यहाँ तुलना का आधार निर्वात नहीं, बल्कि पदार्थ है। परमाणु रिएक्टर या कण त्वरक से निकलने वाले इलेक्ट्रॉन निर्वात के प्रकाश से धीमे होते हैं, लेकिन पानी में प्रकाश से तेज चल सकते हैं। इसी स्थिति में चेरेनकोव विकिरण उत्पन्न होता है।
प्रकाश के शंकु के रूप में फैलने का सिद्धांत
चेरेनकोव विकिरण लगभग उसी तरह उत्पन्न होता है जैसे ध्वनि से तेज उड़ने वाले विमान से सोनिक बूम या तेजी से चलती नाव के पीछे V के आकार की लहरें बनती हैं।
(1) विक्षुब्ध पदार्थ से निकलने वाला प्रकाश
जब कोई आवेशित कण गुजरता है, तो आसपास के अणु कुछ क्षण के लिए विक्षुब्ध होते हैं और फिर अपनी मूल स्थिति में लौटते समय हल्का प्रकाश छोड़ते हैं। कण धीमा हो तो ये प्रकाश तरंगें एक-दूसरे को काटकर निरस्त कर देती हैं और लगभग दिखाई नहीं देतीं।
(2) एक-दूसरे पर चढ़कर प्रबल होते प्रकाश के तरंगाग्र
यदि कण पदार्थ में प्रकाश से तेज चलता है, तो पहले निकला प्रकाश फैल भी नहीं पाता कि कण उससे आगे निकलकर अगला प्रकाश छोड़ देता है। परिणामस्वरूप प्रकाश के तरंगाग्र एक पंक्ति में एक-दूसरे पर चढ़कर परस्पर प्रबल होते हैं और ऐसा शंक्वाकार प्रकाश बनता है जिसका शीर्ष कण होता है।
(3) गति बताने वाला कोण
शंकु के फैलाव का कोण कण की गति और पदार्थ के अपवर्तनांक से निर्धारित होता है। कण जितना तेज होता है, शंकु उतना ही चौड़ा फैलता है, इसलिए कोण मापकर कण की गति का पता लगाया जा सकता है।
इसका रंग नीला क्यों होता है
चेरेनकोव विकिरण में तरंगदैर्ध्य जितना छोटा होता है, उतना ही अधिक प्रकाश निकलता है। इसलिए हमारी आँखों को दिखाई देने वाले प्रकाश में कम तरंगदैर्ध्य वाला नीला हिस्सा अधिक उभरता है और इसके साथ बड़ी मात्रा में अदृश्य पराबैंगनी प्रकाश भी निकलता है।
ब्रह्मांड और शरीर के भीतर झाँकने वाला प्रकाश
चेरेनकोव विकिरण अदृश्य कणों का पता लगाने का एक बेहतरीन संकेत बनता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि केवल प्रकाश की दिशा और तीव्रता को पढ़कर पता लगाया जा सकता है कि कण कहाँ से आया था और उसकी गति कितनी थी।
(1) विशाल पानी के टैंक में न्यूट्रिनो का अवलोकन
जापान की कामिओका खदान में जमीन के लगभग 1,000 मीटर नीचे स्थित सुपर-कामिओकांडे (Super-Kamiokande) में 5 × दस हज़ार टन शुद्ध पानी से भरे टैंक की दीवारों पर लगभग 1 × दस हज़ार और 1 हज़ार प्रकाश संवेदक लगाए गए हैं। ये न्यूट्रिनो के पानी से टकराने पर निकलने वाले कणों के चेरेनकोव प्रकाश को पकड़ते हैं। यहाँ के अवलोकनों से न्यूट्रिनो दोलन का पता चला, जिसके परिणामस्वरूप 2015 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
(2) अंटार्कटिका की बर्फ और आकाश का उपयोग करने वाली दूरबीनें
अंटार्कटिका का आइसक्यूब (IceCube) 1 घन किलोमीटर बर्फ के भीतर संवेदक गाड़कर इसी सिद्धांत से न्यूट्रिनो खोजता है। अंतरिक्ष से आने वाली गामा किरणों के वायुमंडल से टकराने पर उत्पन्न अत्यंत क्षणिक चेरेनकोव प्रकाश को पकड़ने वाली जमीन पर स्थित दूरबीनें भी दुनिया के विभिन्न स्थानों पर काम कर रही हैं।
(3) परमाणु रिएक्टर और चिकित्सा में उपयोग
इस्तेमाल हो चुके परमाणु ईंधन वाले जलकुंडों में नीली रोशनी की तीव्रता देखकर यह भी जाँचा जाता है कि ईंधन ठीक से मौजूद है या नहीं। विकिरण चिकित्सा ले रहे रोगियों के अपनी आँखों के सामने चमक देखने की बात कहने वाली घटना भी तब समझ में आई, जब 2019 के एक अध्ययन में आँख के भीतर काचाभ द्रव में उत्पन्न चेरेनकोव प्रकाश की पुष्टि हुई।
चेरेनकोव विकिरण प्रकाश से तेज न चल सकने के नियम का उल्लंघन करने वाली घटना नहीं है, बल्कि पदार्थ में धीमे हुए प्रकाश और उससे तेज कण के मिलने का स्वाभाविक परिणाम है। रिएक्टर के जलकुंड की नीली रोशनी की एक किरण कभी-कभी पृथ्वी के दूसरी ओर के अंतरिक्ष से आए किसी कण का समाचार भी देती है।
यह जानना कि प्रकाश की परिचित गति भी किसी निश्चित परिवेश के संदर्भ में बताई जाती है, चेरेनकोव विकिरण को समझने की दिशा में पहला कदम है।
