A radiação de Cherenkov é uma reação eletromagnética que ocorre quando partículas carregadas passam por um meio transparente a uma velocidade maior que o mesmo índice de fase da luz no mesmo meio. O brilho azul característico de um reator nuclear subaquático é devido a essa interação.
Histórico
A radiação recebeu o nome do cientista soviético Pavel Cherenkov, vencedor do Prêmio Nobel de 1958. Foi ele quem primeiro descobriu experimentalmente sob a supervisão de um colega em 1934. Portanto, também é conhecido como efeito Vavilov-Cherenkov.
Um cientista viu uma fraca luz azulada ao redor de uma droga radioativa na água durante experimentos. Sua tese de doutorado foi sobre a luminescência de soluções de sais de urânio, que eram excitadas por raios gama em vez da luz visível menos energética, como costuma ser feito. Ele descobriu a anisotropia e concluiu que esse efeito não era um fenômeno fluorescente.
Teoria de Cherenkova radiação foi mais tarde desenvolvida no âmbito da teoria da relatividade de Einstein pelos colegas do cientista Igor Tamm e Ilya Frank. Eles também receberam o Prêmio Nobel de 1958. A fórmula de Frank-Tamm descreve a quantidade de energia emitida por partículas irradiadas por unidade de comprimento percorrida por unidade de frequência. É o índice de refração do material através do qual a carga passa.
A radiação de Cherenkov como uma frente de onda cônica foi teoricamente prevista pelo polímata inglês Oliver Heaviside em artigos publicados entre 1888 e 1889, e por Arnold Sommerfeld em 1904. Mas ambos foram rapidamente esquecidos após a limitação da relatividade das superpartículas até a década de 1970. Marie Curie observou luz azul pálida em uma solução altamente concentrada de rádio em 1910, mas não entrou em detalhes. Em 1926, radioterapeutas franceses liderados por Lucien descreveram a radiação luminosa do rádio, que tem um espectro contínuo.
Origem Física
Embora a eletrodinâmica considere que a velocidade da luz no vácuo é uma constante universal (C), a taxa na qual a luz se propaga em um meio pode ser muito menor que C. A velocidade pode aumentar durante reações nucleares e em aceleradores de partículas. Agora está claro para os cientistas que a radiação Cherenkov ocorre quando um elétron carregado passa por um meio opticamente transparente.
A analogia usual é o estrondo sônico de uma aeronave super-rápida. Essas ondas, geradas por corpos reativos,propagam na velocidade do próprio sinal. As partículas divergem mais lentamente do que um objeto em movimento e não podem avançar à frente dele. Em vez disso, eles formam uma frente de impacto. Da mesma forma, uma partícula carregada pode gerar uma onda de choque leve quando passa por algum meio.
Além disso, a velocidade a ser excedida é uma velocidade de fase, não uma velocidade de grupo. A primeira pode ser alterada drasticamente usando um meio periódico, caso em que pode-se obter radiação Cherenkov sem uma velocidade mínima de partícula. Esse fenômeno é conhecido como efeito Smith-Purcell. Em um meio periódico mais complexo, como um cristal fotônico, muitas outras reações anômalas também podem ser obtidas, como radiação na direção oposta.
O que acontece no reator
Em seus artigos originais sobre os fundamentos teóricos, Tamm e Frank escreveram: "A radiação de Cherenkov é uma reação peculiar que aparentemente não pode ser explicada por nenhum mecanismo geral, como a interação de um elétron rápido com um único átomo ou radiação Por outro lado, esse fenômeno pode ser explicado qualitativa e quantitativamente, se levarmos em conta o fato de que um elétron em movimento em um meio emite luz, mesmo que se mova uniformemente, desde que sua velocidade seja maior que a do luz."
No entanto, existem alguns equívocos sobre a radiação Cherenkov. Por exemplo, considera-se que o meio torna-se polarizado pelo campo elétrico da partícula. Se este se move lentamente, então o movimento tende a voltar aequilíbrio mecânico. No entanto, quando a molécula está se movendo rápido o suficiente, a velocidade de resposta limitada do meio significa que o equilíbrio permanece em seu rastro, e a energia contida nele é irradiada na forma de uma onda de choque coerente.
Tais conceitos não têm justificativa analítica, pois a radiação eletromagnética é emitida quando partículas carregadas se movem em um meio homogêneo em velocidades subluminais, que não são consideradas como radiação Cherenkov.
Fenômeno reverso
O efeito Cherenkov pode ser obtido usando substâncias chamadas metamateriais com índice negativo. Ou seja, com uma microestrutura de subcomprimento de onda, o que lhes confere uma propriedade "média" efetiva muito diferente das demais, neste caso tendo uma permissividade negativa. Isso significa que quando uma partícula carregada passa por um meio mais rápido que a velocidade de fase, ela emitirá radiação de sua passagem pela frente.
Também é possível obter radiação Cherenkov com um cone inverso em meios periódicos não metamateriais. Aqui, a estrutura está na mesma escala que o comprimento de onda, então não pode ser considerado um metamaterial efetivamente homogêneo.
Recursos
Ao contrário da fluorescência ou espectros de emissão, que possuem picos característicos, a radiação Cherenkov é contínua. Em torno do brilho visível, a intensidade relativa por unidade de frequência é aproximadamenteproporcional a ela. Ou seja, valores mais altos são mais intensos.
É por isso que a radiação visível de Cherenkov é azul brilhante. De fato, a maioria dos processos está no espectro ultravioleta - somente com cargas suficientemente aceleradas ele se torna visível. A sensibilidade do olho humano atinge o pico em verde e é muito baixa na parte violeta do espectro.
Reatores nucleares
A radiação Cherenkov é usada para detectar partículas carregadas de alta energia. Em unidades como reatores nucleares, elétrons beta são liberados como produtos de decaimento de fissão. O brilho continua após a reação em cadeia parar, diminuindo à medida que as substâncias de vida mais curta se decompõem. Além disso, a radiação Cherenkov pode caracterizar a radioatividade restante dos elementos combustíveis irradiados. Este fenômeno é usado para verificar a presença de combustível nuclear usado em tanques.
