“[…] la distinzione tra passato, presente e futuro è soltanto un’illusione, anche se ostinata”. Einstein
L'effetto Cerenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un materiale le cui molecole sono polarizzate da una particella carica in moto che lo attraversa. L'effetto Cerenkov si manifesta solo quando la velocità della particella nel mezzo attraversato risulta superiore alla velocità di fase della luce nello stesso mezzo. Più in generale si parla di radiazione Cerenkov, quando il mezzo attraversato non è "trasparente" alla luce visibile.
È così chiamato in omaggio al fisico sovietico Pavel Alekseevic Cerenkov, che ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1958 per studi su questo fenomeno.
Il punto rosso si muove con la velocità di fase mentre il punto verde si propaga con la velocità di gruppo. In questo caso, la velocità di fase è doppia rispetto a quella di gruppo.
Per la teoria della relatività, nessuna particella può viaggiare a una velocità superiore a quella della luce nel vuoto (299.792.458 m/s). In un mezzo denso però, la velocità di fase della luce risulta più bassa di quella nel vuoto, e in un mezzo con indice di rifrazione n sarà c/n. Può avvenire che una particella superi la velocità di fase della luce nel mezzo. Se tale particella è carica elettricamente si verifica l'effetto Cerenkov, ovvero l'emissione di radiazioni visibili.
La caratteristica luce azzurra visibile nei reattori nucleari dovuta all'effetto Cerenkov.
Ciò è dovuto al fatto che la particella carica, lungo la sua traiettoria, induce dei momenti di dipolo temporanei negli atomi o nelle molecole del mezzo. Ritornando alla configurazione iniziale, le molecole producono radiazione elettromagnetica. Tale radiazione elettromagnetica si propaga in un fronte sferico. Se la particella viaggia lentamente, tale perturbazione si rilassa elasticamente e si ha un ritorno all'equilibrio meccanico non appena la particella è passata. Se invece la velocità della particella è sufficientemente elevata rispetto al tempo di risposta del mezzo (e ciò si verifica quando la velocità della particella nel mezzo attraversato risulta superiore alla velocità della luce nello stesso mezzo) allora i fronti d'onda elettromagnetica (cerchi nell'esempio bidimensionale) si sovrappongono costruttivamente e l'energia prodotta da questa perturbazione si irradia come un'onda d'urto coerente nella direzione θ rispetto alla direzione della particella.
Come nell'aria, quando un oggetto supera il muro del suono, si forma un cono d'onda (onde meccaniche), allo stesso modo, con le onde elettromagnetiche, nelle condizioni sopra enunciate, si assiste alla produzione di un cono d'onda del tutto simile al cono di Mach per il suono.
Caratteristico della radiazione Cerenkov è il cosiddetto angolo di Cerenkov, indicato in figura con la lettera θ.
L'angolo di Cerenkov può essere calcolato mediante la seguente relazione:
cos θ=1/n.c/v
dove n è l'indice di rifrazione del mezzo, c è la velocità della luce nel vuoto (e di conseguenza c/n è la velocità della luce nel mezzo) e v è la velocità della particella carica.
Per particelle relativistiche, il rapporto tra la velocità della particella v e la velocità della luce c è indicato con β=v/c
e l'angolo di Cerenkov risulta essere:
cosθ= 1/n.β
Si può subito notare che l'angolo massimo si ha quando la particella si muove all'incirca alla velocità c. In tal caso, la relazione diventa:
cosθ(max) = 1/n
Il rilevamento di radiazione Cerenkov è oggi sfruttato nell'astronomia delle sorgenti gamma e negli esperimenti condotti sui neutrini, rilevando ad esempio i muoni prodotti in acqua, i quali, essendo negativamente carichi, e viaggiando a una velocità superiore a quella di propagazione della luce in acqua, danno luogo all'effetto Cerenkov.
Il cono d'onda Cerenkov
Utilizzi
La radiazione Cerenkov è impiegata soprattutto negli esperimenti scientifici riguardanti la rivelazione di particelle di origine spaziale, e in particolare è stata utilizzata nello studio del neutrino e per la scoperta dell'antiprotone Nei reattori nucleari a immersione l'intensità della radiazione è correlata alla frequenza degli eventi di fissione, ed è quindi indicativa del livello di attività del reattore. Allo stesso modo viene usata per valutare la radioattività residua presente nelle barre di combustibile esauste.
Quando i raggi cosmici colpiscono l'atmosfera si può avere la produzione di coppie di elettroni e positroni ad alta velocità. La radiazione Cerenkov generata da queste particelle è usata per determinare la direzione e l'intensità della sorgente dei raggi cosmici causa dell'evento, attraverso i cosiddetti telescopi Cerenkov. Questa tecnica, denominata in inglese Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT), è impiegata in esperimenti quali H.E.S.S. e MAGIC. Lo stesso principio è sfruttato nei rivelatori di neutrini come Super-Kamiokande. L'effetto Cerenkov è sfruttato anche dall'Osservatorio IceCube sito al Polo Sud.
Le applicazioni scaturite dalla radiazione Cerenkov hanno portato ai premi Nobel per la fisica del 1958, 1959, 1988, 1995, 2002 e 2015.
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IMPRESA OGGI - 22 luglio 2023
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