Efectul Cerenkov
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Radiaţia Cerenkov este radiaţie electromagnetică emisă atunci când o particulă încărcată electric (cum ar fi un proton) trece printr-un dielectric cu o viteză mai mare decât viteza luminii în acel mediu, fenomen numit şi efect Cerenkov. Strălucirea albastră caracteristică reactoarelor nucleare se datorează radiaţiei Cerenkov. Numele provine de la fizicianul rus Pavel Alexeevici Cerenkov, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 1958, primul care a caracterizat acest fenomen.[1]
[modifică] Origini fizice
În timp ce teoria relativităţii postulează că viteza luminii în vid este o constantă universală (c), viteza cu care lumina se propagă într-un material poate să fie semnificativ mai mică decât c. De exemplu, viteza de propagare a luminii în apă este doar 0,75c. Materia poate fi accelerată peste această viteză în procesul reacţiilor nucleare şi în acceleratoarele de particule. Radiaţia Cerenkov rezultă când o particulă încărcată electric, de regulă un electron, depăşeşte viteza cu care lumina se propagă într-un mediu dielectric (izolator electric) prin care trece.
Mai mult, viteza ce trebuie să fie depăşită este viteza de fază şi nu cea de grup. Viteza de fază poate fi modificată dramatic în cazul unui mediu periodic, şi în acest caz se poate obţine radiaţie Cerenkov fără un prag minim pentru viteza particulei — fenomen numit efectul Smith-Purcell. Într-un mediu cu o periodicitate complexă, cum ar fi un cristal fotonic, se poate obţine o varietate de alte efecte Cerenkov anormale, cum ar fi radiaţie Cerenkov ce se propagă în direcţie inversă (în timp ce radiaţia Cerenkov obişnuită formează un unghi ascuţit cu vectorul viteză a particulei).
Când o particulă încărcată electric se deplasează, ea perturbă câmpul electromagnetic local din mediul său. Electronii din atomii din mediu vor fi deplasaţi şi polarizaţi de câmpul electromagnetic al particulei încărcate. Fotonii sunt emişi de electronii unui dielectric în timp ce revin la echilibru după trecerea particulei. (Într-un material conductor, perturbarea electromagnetică poate fi înlăturată fără emisia de fotoni.) În condiţii normale, aceşti fotoni interferează distructiv unii cu ceilalţi şi nu se detectează nicio radiaţie. Totuşi, când perturbarea se deplasează mai repede decât viteza cu care se propagă lumina în mediu, fotonii interferează constructiv şi intensifică radiaţia observată.
Este important de observat că viteza cu care se deplasează fotonii este mereu aceeaşi. Adică viteza luminii, numită în general c, nu se modifică. Lumina pare să se deplaseze mai lent atunci când trece printr-un mediu din cauza interacţiunilor frecvente ale fotonilor cu materia. Situaţia este similară cu cea a unui tren, care se deplasează cu viteză constantă. Dacă un astfel de tren ar merge pe nişte linii cu multe staţii, atunci ar părea că se deplasează cu viteză mai mică per total, adică ar avea o viteză medie mai mică, deşi în perioadele de mişcare, viteza este constant mai mare.
O analogie comună este cea cu bumul sonic al unui zgomot de avion supersonic sau glonţ. Undele sonore generate de corpul supersonic nu se mişcă suficient de repede pentru a se da la o parte din calea corpului respectiv. Astfel, undele "se adună" şi formează un front de şoc.
Într-un fel similar, o particulă încărcată electric poate genera o undă de şoc fotonică în timp ce se deplasează printr-un izolator.
În figură, particula (săgeata roşie) se deplasează cu viteza vp şi se defineşte β = vp / c unde c este viteza luminii. n este indicele de refracţie al mediului şi astfel fotonii (săgeţile albastre) se deplasează cu viteza vem = c / n.
Colţul stâng al triunghiului reprezintă locaţia particulei superluminice la un moment iniţial (t=0). Colţul din dreapta al triunghiului este locaţia particulei la un moment ulterior t. În timpul t dat, particula parcurge
în timp ce undele electromagnetice pot călători doar
Deci:
De observat că deoarece acest raport este independent de timp, se pot lua timpi arbitrari şi se pot obţine triunghiuri asemenea. Unghiurile rămân aceleaşi, astfel că undele generate ulterior între momentul iniţial t=0 şi cel final t formează triunghiuri asemenea cu cel arătat.
[modifică] Note
- ^ Cerenkov, P.A., "Emisii de lumină vizibilă în lichide transparente prin acţiunea radiaţiilor γ", Doklady Akad. Nauk SSSR 2 (1934) 451. Retipărită în Lucrări alese ale fizicienilor sovietici, Usp. Fiz. Nauk 93 (1967) 385. V sbornike: Pavel Alexeevici Cerenkov: Celovek i Otkrîtie pod redakţiei A. N. Gorbunova i E. P. Cerenkovoi, M.,"Nauka, 1999, s. 149-153. (ref)
