La radiazione Cherenkov è una reazione elettromagnetica che si verifica quando le particelle cariche passano attraverso un mezzo trasparente a una velocità maggiore dello stesso indice di fase della luce nello stesso mezzo. Il caratteristico bagliore blu di un reattore nucleare sottomarino è dovuto a questa interazione.
Cronologia
La radiazione prende il nome dallo scienziato sovietico Pavel Cherenkov, vincitore del Premio Nobel nel 1958. Fu lui a scoprirlo per primo sperimentalmente sotto la supervisione di un collega nel 1934. Pertanto, è anche noto come effetto Vavilov-Cherenkov.
Uno scienziato ha visto una debole luce bluastra attorno a un farmaco radioattivo nell'acqua durante gli esperimenti. La sua tesi di dottorato riguardava la luminescenza di soluzioni di sali di uranio, che erano eccitate dai raggi gamma invece della meno energetica luce visibile, come si fa di solito. Scoprì l'anisotropia e concluse che questo effetto non era un fenomeno fluorescente.
La teoria di Cherenkovla radiazione è stata successivamente sviluppata nell'ambito della teoria della relatività di Einstein dai colleghi dello scienziato Igor Tamm e Ilya Frank. Hanno anche ricevuto il Premio Nobel nel 1958. La formula di Frank-Tamm descrive la quantità di energia emessa dalle particelle irradiate per unità di lunghezza percorsa per unità di frequenza. È l'indice di rifrazione del materiale attraverso il quale passa la carica.
La radiazione Cherenkov come fronte d'onda conico è stata teoricamente prevista dal poliedrico inglese Oliver Heaviside in articoli pubblicati tra il 1888 e il 1889 e da Arnold Sommerfeld nel 1904. Ma entrambi furono rapidamente dimenticati dopo la limitazione della relatività delle superparticelle fino agli anni '70. Marie Curie osservò la luce blu pallido in una soluzione altamente concentrata di radio nel 1910, ma non entrò nei dettagli. Nel 1926, i radioterapisti francesi guidati da Lucien descrissero la radiazione luminosa del radio, che ha uno spettro continuo.
Origine fisica
Sebbene l'elettrodinamica ritenga che la velocità della luce nel vuoto sia una costante universale (C), la velocità con cui la luce si propaga in un mezzo può essere molto inferiore a C. La velocità può aumentare durante le reazioni nucleari e negli acceleratori di particelle. Ora è chiaro agli scienziati che la radiazione Cherenkov si verifica quando un elettrone carico passa attraverso un mezzo otticamente trasparente.
La solita analogia è il boom sonico di un aereo super veloce. Queste onde, generate da corpi reattivi,si propagano alla velocità del segnale stesso. Le particelle divergono più lentamente di un oggetto in movimento e non possono avanzare davanti ad esso. Invece, formano un fronte d'impatto. Allo stesso modo, una particella carica può generare un'onda d'urto leggera quando passa attraverso un mezzo.
Inoltre, la velocità da superare è una velocità di fase, non una velocità di gruppo. Il primo può essere cambiato drasticamente utilizzando un mezzo periodico, nel qual caso si può anche ottenere la radiazione Cherenkov senza una velocità minima delle particelle. Questo fenomeno è noto come effetto Smith-Purcell. In un mezzo periodico più complesso, come un cristallo fotonico, si possono ottenere anche molte altre reazioni anomale, come la radiazione nella direzione opposta.
Cosa succede nel reattore
Nei loro articoli originali sui fondamenti teorici, Tamm e Frank hanno scritto: "La radiazione di Cherenkov è una reazione peculiare che apparentemente non può essere spiegata da alcun meccanismo generale, come l'interazione di un elettrone veloce con un singolo atomo o radiativo scattering in nuclei D' altra parte, questo fenomeno può essere spiegato sia qualitativamente che quantitativamente, se teniamo conto del fatto che un elettrone che si muove in un mezzo emette luce, anche se si muove in modo uniforme, purché la sua velocità sia maggiore di quella di luce."
Tuttavia, ci sono alcune idee sbagliate sulle radiazioni Cherenkov. Ad esempio, si ritiene che il mezzo venga polarizzato dal campo elettrico della particella. Se quest'ultimo si muove lentamente, il movimento tende a tornareequilibrio meccanico. Tuttavia, quando la molecola si muove abbastanza velocemente, la velocità di risposta limitata del mezzo significa che l'equilibrio rimane nella sua scia e l'energia in essa contenuta viene irradiata sotto forma di un'onda d'urto coerente.
Tali concetti non hanno giustificazione analitica, poiché la radiazione elettromagnetica viene emessa quando le particelle cariche si muovono in un mezzo omogeneo a velocità subluminali, che non sono considerate radiazioni Cherenkov.
Fenomeno inverso
L'effetto Cherenkov può essere ottenuto utilizzando sostanze chiamate metamateriali con indice negativo. Cioè con una microstruttura sotto la lunghezza d'onda, che conferisce loro un'effettiva proprietà "media" molto diversa dalle altre, in questo caso con permittività negativa. Ciò significa che quando una particella carica passa attraverso un mezzo più veloce della velocità di fase, emetterà radiazione dal suo passaggio attraverso di essa dalla parte anteriore.
È anche possibile ottenere la radiazione Cherenkov con un cono inverso in mezzi periodici non metamateriali. Qui, la struttura è sulla stessa scala della lunghezza d'onda, quindi non può essere considerata un metamateriale effettivamente omogeneo.
Caratteristiche
A differenza degli spettri di fluorescenza o di emissione, che hanno picchi caratteristici, la radiazione Cherenkov è continua. Intorno al bagliore visibile, l'intensità relativa per unità di frequenza è approssimativaproporzionale a lei. Cioè, i valori più alti sono più intensi.
Questo è il motivo per cui la radiazione visibile di Cherenkov è di un blu brillante. In effetti, la maggior parte dei processi si trova nello spettro ultravioletto - solo con cariche sufficientemente accelerate diventa visibile. La sensibilità dell'occhio umano raggiunge il picco in verde ed è molto bassa nella parte viola dello spettro.
Reattori nucleari
La radiazione Cherenkov viene utilizzata per rilevare particelle cariche ad alta energia. In unità come i reattori nucleari, gli elettroni beta vengono rilasciati come prodotti di decadimento della fissione. Il bagliore continua dopo che la reazione a catena si interrompe, attenuandosi quando le sostanze a vita più breve decadono. Inoltre, la radiazione Cherenkov può caratterizzare la radioattività residua degli elementi di combustibile esaurito. Questo fenomeno viene utilizzato per verificare la presenza di combustibile nucleare esaurito nei serbatoi.
