切倫科夫效應（Cherenkov effect），是指帶電粒子在高折射率的介質中速度超過光線在該介質中的傳播速度時可以發出一種微弱的藍紫色的可見光（電磁輻射）。
切倫科夫效應是由蘇聯物理學家帕維爾·切倫科夫于1934年率先發現，1937年，物理學家伊·葉·塔姆和伊·米·弗蘭克闡釋了“切倫科夫效應”。這項發現后來證明對激光技術的發展有重要意義，伊戈爾·塔姆和詹姆斯·弗蘭克因此項貢獻于1958年獲諾貝爾物理學獎。相速度是波的相位在空間中傳播的速度，群速度是波振幅包絡線傳播的速度。切倫科夫效應產生是因為光在介質中的傳播速度（相速度）是小于光速c的，當物體被加速到超過介電質中的光相速，帶電粒子以超過介質中的光在該頻率下的“相速度”時，會發出切倫科夫輻射，一般來說，肉眼看不見切倫科夫效應，但是當它的強度很大時，會在屏蔽某些核反應堆的池水中出現微弱的淺藍色的光輝。
利用帕維爾·切倫科夫效應可以做成切倫科夫計數器，同時，切倫科夫效應在反質子、中微子振蕩等基本粒子的發現過程中起到了關鍵作用，也是實現自由電子激光光源的有效途徑之一。日常生活中，當船在水中以大于水波的波速運動時，船前的波就可以看成是切倫科夫效應的例子。又例如，在空氣中，一架噴氣式飛機以大于音速運動時，飛機前頭的空氣波，也可以作為說明切倫科夫效應的例子。
歷史沿革
1888年，奧利弗-海維塞德（Oliver Heaviside）在《The Electrician》上發表了一篇論文，其中他探討了電荷通過電介質的電磁效應，不過當時沒有太多人關注。1904年，諾德·索默菲爾德（Arnold Sommerfeld）在一篇理論預測切倫科夫輻射的論文也未能在科學界獲得關注。1910年，瑪麗·居里在研究高濃度鐳溶液時特別提到了對奇怪藍光的觀察。1922年，居里夫人的法國同事萊昂·馬利特（Leon Mallett）開始認真研究這一現象。
1934年，蘇聯科學家帕維爾·切倫科夫開始與他的研究所同事謝爾蓋·瓦維洛夫（Sergei Vavilov）合作，對這種奇怪形式的輻射進行自己的實驗。他發現當鐳發出的輻射穿過一些高折射率的媒質（可以是液體或固體）時，其中部分輻射會被這些媒質所吸收。在這時會從媒質中發出一種特殊的輻射，這是一種淡藍色的微弱可見光。由于是帕維爾·切倫科夫發現的一種特殊輻射，因此就被稱做“切倫科夫輻射”，其光學效應也被叫做“切倫科夫效應”。
當時人們并不了解“切倫科夫效應”的機理。伊戈爾·塔姆和弗蘭克于1937年提出解釋這一效應的輻射理論。他們證明，切倫科夫輻射與加速帶電粒子的輻射有本質上的不同。加速帶電粒子的輻射是單個粒子的輻射效應，而切倫科夫輻射是運動帶電粒子與介質中的束縛電荷及誘導電流所產生的集體效應。他們的理論說明了，為什么切倫科夫輻射總是呈現藍色。由于帕維爾·切倫科夫、弗蘭克和塔姆的研究，他們一起共同獲得了1958年度的諾貝爾物理學獎。
2020年1月，達特茅斯學院和達特茅斯-希區柯克學院諾里斯-科頓癌癥中心的研究小組發現，在頭頸部放射治療期間，當輻射束穿過眼睛時，玻璃體液內會產生切倫科夫光。
原理
弗蘭克-塔姆公式
弗蘭克-塔姆公式可計算帶電粒子以超光速穿過介質時，在給定頻率下發射的切倫科夫輻射量。該公式以俄羅斯物理學家弗蘭克和伊戈爾·塔姆的名字命名，他們于1937年提出了切倫科夫效應理論，并因此于1958年獲得諾貝爾物理學獎。
當帶電粒子在介質中的移動速度超過光的相速度時，與粒子相互作用的電子可以發射相干光子，同時保持能量和動量守恒。這個過程可以看作是衰變。
方程
能量?dE粒子以單位頻率每單位長度行進時發射的輻射量dω是：
前提是：
這里μ（ω）和n（ω）分別是介質的頻率相關磁導率和折射率，q是粒子的電荷，v是粒子的速度，c是真空中的光速。
切倫科夫輻射沒有熒光或發射光譜所特有的特征光譜峰。一個頻率的相對強度大約與頻率成正比。也就是說，切倫科夫輻射中較高的頻率（較短的波長）更強烈。這就是為什么可見的切倫科夫輻射被觀察到是亮藍色的原因。事實上，大多數切倫科夫輻射都在紫外線光譜中；人眼的敏感度在綠色處達到峰值，而在光譜的紫色部分非常低。
單位長度輻射的總能量為：
這個積分是在頻率上進行的ω粒子的速度五大于介質的光速丙n（ω）。積分是收斂的（有限的），因為在高頻時折射率小于1，而在極高頻率時折射率變為1。
推導
考慮一個帶電粒子沿相對論方向運動十具有折射率的介質中的軸：
以恒定速度：
從波形的麥克斯韋方程（高斯單位）開始（也稱為亨德里克·洛倫茲規范條件），然后進行傅里葉變換：
以速度v運動的電荷，其密度和電荷密度可以表示為：
取傅里葉變換可得：
將此密度和電荷電流代入波動方程，我們可以求解傅里葉形式的電勢：
和
和
為了找到輻射能量，我們考慮在粒子軌跡的某個垂直距離處的電場作為頻率的函數，例如在（0，b，0），其中b是影響參數。它由逆傅里葉變換給出：
首先，我們計算電場的x分量（與向量v平行）：
為了簡潔起見，這里定義：
將積分部分分解為k1，k2，k3，其中k?積分可以直接通過狄拉克δ函數的定義進行積分：
最后一個積分k2采用改進的（麥克唐納）貝塞爾函數的形式，給出計算的平行分量的形式：
可以按照類似的模式計算其他字段的分量，得出：
我們現在可以考慮輻射能量dE每個粒子移動的距離dxparticle.可以通過電磁能量流來表達Pa穿過半徑為a的無限圓柱體的表面a圍繞運動粒子的路徑，由坡印廷矢量的積分給出：
圓柱表面上方：
因此：
如果λ具有正實部（通常為真），指數函數將使表達式在遠距離處迅速消失，這意味著所有的能量都沉積在路徑附近。然而，當λ是純虛數——這反而導致指數函數變為1，然后與a無關，這意味著一些能量會以輻射的形式逃逸到無窮遠處——這就是切倫科夫輻射。
λ純粹是虛數，如果ε（ω）是真實的，并且β2ε（ω）>1也就是說，當ε（ω）是真實的，切倫科夫輻射有條件：
這是說粒子的速度必須大于介質中電磁場的相速度ω才能產生切倫科夫輻射。有了這個純粹虛構的λ健康狀況，λ?/λ=我并且積分可以簡化為：
并且積分可以簡化為：
這是gaussian單位的弗蘭克-塔姆方程。
產生原因
狹義相對論認為，物體的運動速度不可能超過真空中的光速c。但光在介質中的傳播速度是小于c的，比如在水中的傳播速度約為0.75c。所以，物體可以被加速到超過介質中的光在該頻率下的“相速度”，加速的來源可以是核反應或者是粒子加速器。當帶電粒子在介質中的傳播速度超過光速時，它就會發出切倫科夫輻射。具體來說，當帶電粒子在介質中運動時，它會與周圍介質中的分子發生相互作用，使它們激發到更高的能級。當分子回到基態時，它們會釋放出一些光子，形成電磁波。
如果帶電粒子運動得較慢，這些電磁波在運動方向上稍微聚集，但不會發生干涉。但是如果帶電粒子運動的速度超過了介質中的光在該頻率下的“相速度”，這些電磁波就會在粒子前方“堆疊”起來，彼此干涉，導致在與粒子運動方向成一定角度的方向上出現相干輻射，這就是切倫科夫輻射?？膳c切倫科夫輻射相類比的是超音速飛機產生的音爆現象。超音速飛機在飛行時，前方產生的聲波就會“堆疊”起來，形成一個沖擊波，并發生音爆。因此，切倫科夫輻射可以被看成一種光的沖擊波。帶電粒子運動得越快、數量越多，切倫科夫輻射就越強。切倫科夫輻射的頻譜是呈連續性的，而且一個頻率下的相對強度與該頻率呈正比。所以，可見光波段部分的切倫科夫輻射看起來呈藍色，因為藍色的波長較短，其強度也更高。實際上，多數切倫科夫輻射是處在紫外線波段。
幾何關系
當一個帶電的超光速粒子行經絕緣體，就會產生光子震波。
圖中，c是真空光速，n是介質的折射率，v是粒子速度（紅色態射），β是v/c。藍色箭頭則是發出的輝光。幾何上，此二方向之角度關系為：cosθ=1/nβ。
應用
標記生物分子的檢測
切倫科夫輻射可用于生物學和醫學方面。比如，切倫科夫輻射可以用來監測生物分子的活動。科學家可以把放射性原子，如磷-32，引入到生物分子中，然后利用分子產生的切倫科夫輻射來監測它們。這樣，即使被標記的生物分子的含量很少，科學家也能分析這些分子在生物體內的作用和變化。
放射性同位素醫學成像和體外放射治療
切倫科夫顯像是一種新型顯像技術，該技術利用核素切倫科夫效應產生可探測光的特性，對核素進行光學顯像。帕維爾·切倫科夫顯像與核素顯像具有良好的匹配性，多種核素均可產生切倫科夫光信號而實現切倫科夫顯像。切倫科夫已經成功地用于腫瘤顯像、療效評估等多種小動物顯像研究，并逐步用于淺表組織的臨床顯像研究。但由于帕維爾·切倫科夫光信號存在信號較弱、組織穿透性較差等不足，通過創新性研究解決切倫科夫顯像現存問題，必將促進切倫科夫顯像的更廣泛應用。
粒子物理實驗
利用切倫科夫效應可以做成切倫科夫計數器，用于記錄帶電粒子所發出的微弱切倫科夫光。20世紀50年代，隨著靈敏且具快速響應的光電倍增管的應用，帕維爾·切倫科夫光的利用成為極有影響的技術。切倫科夫計數器由產生切倫科夫光的輻射體和探測這種光的光電倍增管組成，它能把單個粒子引起的閃光記錄下來。玻璃、水、透明的塑料均可用作輻射體。當粒子以大于光在該介質中的速度進入時，就發生切倫科夫效應，然后用光電學方法檢測。當粒子種類已知時，一定的發射角對應一定的粒子能量，可探測加速器或宇宙線中的高能電子、質子、介子及高能γ射線。氣體產生的切倫科夫光強度比固體或液體小，但由于它的折射率小，可用來探測更高速度的粒子。帕維爾·切倫科夫光效應的持續時間僅10-10秒，與快速光電倍增管配合，切倫科夫計數器有很高的時間分辨率。
核反應堆
在核電站中，切倫科夫輻射不僅可以用來檢測高能帶電粒子的存在，還可以用來檢驗使用過的核燃料棒的剩余放射性。此外，切倫科夫輻射在天體物理學和粒子物理學方面，也有著重要的應用。例如，切倫科夫輻射在粒子物理學中常用于粒子的鑒別。通過測量一個帶電粒子在某種介質中發出的切倫科夫輻射的性質，可以確定該粒子的速度。如果粒子的動量可用其他方法測量，就可以通過其動量和速度計算出粒子的質量，從而鑒別出該粒子。
天體物理學實驗
來自太空中的宇宙射線或伽瑪射線暴與地球大氣層相互作用時，可能會產生一對具有極高速度的電子–正電子對。這些帶電粒子在大氣層中發出的切倫科夫輻射可以用于確定宇宙射線或γ射線的方向和能量。中國國家“十二五”大科學裝置“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”的探測器陣列堪稱巨大，不但有覆蓋面積達1平方公里的地面簇射粒子探測器陣列（包括5195個電磁粒子探測器、1171個繆子探測器），還有3000個單元探測器組成的水帕維爾·切倫科夫探測器陣列，以及12臺廣角切倫科夫望遠鏡。
逆切倫科夫效應
帶電粒子以超過介質中光速在介質中運動時發出的一種電磁輻射，是帶電粒子運動形成的相干電磁沖擊波（類似于子彈或飛機在空氣中超音速運動）。沖擊波的方向與粒子運動方向之間的夾角θ，滿足cosθ=c/nv，式中v為粒子速度，n為介質折射率，c為真空中的光速。注意通常的材料折射率n是大于0的，因而θ小于90°，沖擊波向前發射。對于新發展的負折射率材料，θ大于90°，因而是向后發射的，叫逆切倫科夫輻射。負折射率材料是在某一頻段下折射率為負的新型超材料，有很多反直觀的特性，它在正折射率介質中指數衰減的倏逝波進入負折射率介質后隨即增長，這就類似音爆的逆過程，把更高頻率的信息帶回來，讓我們體驗到逆契倫科夫輻射。
參考資料 >
量子切倫科夫輻射的實驗實現.澎湃新聞.2024-09-25
切倫科夫.nobelprize.2024-09-25
相速度、群速度和能量速度.www.sciencedirect.com/.2024-11-06
理院小課堂 || 光速可以被超越嗎？ .天津大學理學院.2024-09-26
比別人細心一點點|切倫科夫效應的發現 .中科院高能所.2024-09-26
我制成世界首個集成自由電子光源芯片 .中國科技網.2024-09-26
1934 年 12 月：發現切倫科夫輻射.美國物理學會.2024-10-12
科學家首次捕捉到放療期間人眼發出的閃光.科學日報.2024-10-12
Exploring the Spectrum of Cherenkov Radiation in Water: A Mathematical Approach./download.ssrn.com.2024-11-06
核反應堆中詭異的藍光是怎樣產生的？.IT之家.2024-10-02
比別人細心一點點｜切倫科夫效應的發現.中國科學院高能物理研究所.2024-09-27
切倫科夫輻射.中國大百科全書.2024-10-02
微納光學，你很有前途！| 邵曉鵬專欄?.中國激光雜志社.2024-10-13