Radiação Cherenkov - Cherenkov radiation
Efeito Cherenkov ( / tʃ ə r ɛ ŋ k ɒ f / ; russo : Черенков) é a radiação electromagnética emitida quando uma partícula carregada (tal como um electrão ) passa através de um dieléctrico meio a uma velocidade maior do que a velocidade de fase (velocidade de propagação de uma onda em um meio) de luz nesse meio. Um exemplo clássico de radiação Cherenkov é o brilho azul característico de um reator nuclear subaquático . Sua causa é semelhante à causa de um estrondo sônico , o som agudo ouvido quando ocorre um movimento mais rápido do que o som. O fenômeno leva o nome do físico soviético Pavel Cherenkov , que compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 1958 por sua descoberta.
História
A radiação leva o nome do cientista soviético Pavel Cherenkov , vencedor do Prêmio Nobel de 1958 , que foi o primeiro a detectá-la experimentalmente sob a supervisão de Sergey Vavilov no Instituto Lebedev em 1934. Portanto, também é conhecida como radiação Vavilov-Cherenkov . Cherenkov viu uma luz azulada fraca ao redor de uma preparação radioativa na água durante os experimentos. Sua tese de doutorado foi sobre a luminescência de soluções de sal de urânio que eram excitadas por raios gama em vez de luz visível menos energética, como é comum. Ele descobriu a anisotropia da radiação e chegou à conclusão de que o brilho azulado não era um fenômeno fluorescente.
A teoria deste efeito foi mais tarde desenvolvido em 1937 no âmbito de Einstein 's especial relatividade teoria por colegas de Cherenkov Igor Tamm e Ilya Frank , que também dividiu o Prêmio Nobel 1958.
A radiação Cherenkov como 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 restrição da teoria da relatividade às partículas super-c até os anos 1970. Marie Curie observou uma luz azul clara em uma solução de rádio altamente concentrada em 1910, mas não investigou sua fonte. Em 1926, o radioterapeuta francês Lucien Mallet descreveu a radiação luminosa do rádio irradiando água com um espectro contínuo.
Em 2019, uma equipe de pesquisadores de Dartmouth do e Dartmouth-Hitchcock 's Norris Cotton Cancer Center descobriu ser de luz Cherenkov gerado no humor vítreo de pacientes submetidos à radioterapia . A luz foi observada usando um sistema de imagem de câmera chamado CDose, que é especialmente projetado para visualizar as emissões de luz de sistemas biológicos. Durante décadas, os pacientes relataram fenômenos como “flashes de luz brilhante ou azul” ao receber tratamentos de radiação para câncer no cérebro, mas os efeitos nunca foram observados experimentalmente.
Origem física
Fundamentos
Embora a velocidade da luz no vácuo seja uma constante universal ( c = 299.792.458 m / s ), a velocidade em um material pode ser significativamente menor, pois é percebido como sendo retardado pelo meio. Por exemplo, na água é apenas 0,75 c . A matéria pode acelerar além dessa velocidade (embora ainda menos do que c , a velocidade da luz no vácuo) durante as reações nucleares e em aceleradores de partículas . A radiação Cherenkov ocorre quando uma partícula carregada, mais comumente um elétron , viaja através de um meio dielétrico (pode ser polarizado eletricamente) com uma velocidade maior do que a velocidade da luz nesse meio.
O efeito pode ser descrito intuitivamente da seguinte maneira. Da física clássica, sabe-se que as partículas carregadas emitem ondas EM e, pelo princípio de Huygens, essas ondas formarão frentes de onda esféricas que se propagam com a velocidade de fase desse meio (ou seja, a velocidade da luz nesse meio dada por , para , o índice de refração ) Quando qualquer partícula carregada passa por um meio, as partículas do meio se polarizam em resposta. A partícula carregada excita as moléculas no meio polarizável e, ao retornar ao seu estado fundamental , as moléculas reemitem a energia dada a elas para atingir a excitação como fótons. Esses fótons formam as frentes de onda esféricas que podem ser vistas originando-se da partícula em movimento. Se , essa é a velocidade da partícula carregada é menor do que a velocidade da luz no meio, então o campo de polarização que se forma em torno da partícula em movimento é geralmente simétrico. As frentes de onda emitidas correspondentes podem ser agrupadas, mas não coincidem ou se cruzam e não há efeitos de interferência com que se preocupar. Na situação inversa, ou seja , o campo de polarização é assimétrico ao longo da direção do movimento da partícula, pois as partículas do meio não têm tempo suficiente para se recuperar aos seus estados aleatórios "normais". Isso resulta em formas de onda sobrepostas (como na animação) e a interferência construtiva leva a um sinal de luz semelhante a um cone observado em um ângulo característico: luz Cherenkov.
Uma analogia comum é o estrondo sônico de uma aeronave supersônica . Os sons ondas geradas pela viagem de avião com a velocidade do som, que é mais lenta do que a aeronave, e não pode propagar para a frente a partir da aeronave, em vez formando uma cónico frente de choque . De maneira semelhante, uma partícula carregada pode gerar uma "onda de choque" de luz visível à medida que viaja através de um isolador.
A velocidade que deve ser excedida é a velocidade de fase da luz, e não a velocidade de grupo da luz. A velocidade de fase pode ser alterada dramaticamente usando um meio periódico e, nesse caso, pode-se até mesmo obter radiação Cherenkov sem velocidade mínima de partícula, um fenômeno conhecido como efeito Smith-Purcell . Em um meio periódico mais complexo, como um cristal fotônico , também se pode obter uma variedade de outros efeitos Cherenkov anômalos, como a radiação na direção inversa (veja abaixo), enquanto a radiação Cherenkov comum forma um ângulo agudo com a velocidade da partícula.
Em seu trabalho original sobre os fundamentos teóricos da radiação Cherenkov, Tamm e Frank escreveram: "Esta radiação peculiar não pode, evidentemente, ser explicada por qualquer mecanismo comum, como a interação do elétron rápido com átomo individual ou como espalhamento radiativo de elétrons em núcleos atômicos . Por outro lado, o fenômeno pode ser explicado qualitativa e quantitativamente se levarmos em consideração o fato de que um elétron se movendo em um meio irradia luz, mesmo se estiver se movendo uniformemente, desde que sua velocidade seja maior do que a velocidade da luz em o médio."
Ângulo de emissão
Na figura da geometria, a partícula (seta vermelha) viaja em um meio com velocidade tal que
Nós definimos a razão entre a velocidade da partícula e a velocidade da luz como
O canto esquerdo do triângulo representa a localização da partícula superluminal em algum momento inicial ( t = 0 ). O canto direito do triângulo é a localização da partícula em algum momento posterior t. No tempo t dado , a partícula viaja a distância
Portanto, o ângulo de emissão resulta em
Ângulo de emissão arbitrário
A radiação Cherenkov também pode irradiar em uma direção arbitrária usando metamateriais unidimensionais adequadamente projetados . O último é projetado para introduzir um gradiente de retardo de fase ao longo da trajetória da partícula de viagem rápida ( ), revertendo ou direcionando a emissão Cherenkov em ângulos arbitrários dados pela relação generalizada:
Observe que, como essa proporção é independente do tempo, pode-se considerar tempos arbitrários e obter triângulos semelhantes . O ângulo permanece o mesmo, o que significa que as ondas subsequentes geradas entre o tempo inicial t = 0 e o tempo final t formarão triângulos semelhantes com pontos finais direitos coincidentes com o mostrado.
Efeito Cherenkov reverso
Um efeito Cherenkov reverso pode ser experimentado usando materiais chamados metamateriais de índice negativo (materiais com uma microestrutura de sub comprimento de onda que lhes dá uma propriedade "média" efetiva muito diferente de seus materiais constituintes, neste caso tendo permissividade negativa e permeabilidade negativa ). Isso significa que, quando uma partícula carregada (geralmente elétrons) passa por um meio a uma velocidade maior do que a velocidade de fase da luz nesse meio, essa partícula emite radiação residual de seu progresso através do meio, em vez de na frente dele (como está o caso em materiais normais com permissividade e permeabilidade positivas). Também é possível obter essa radiação de Cherenkov de cone reverso em meios periódicos não metamateriais, onde a estrutura periódica está na mesma escala do comprimento de onda, portanto, não pode ser tratada como um metamaterial efetivamente homogêneo.
No vácuo
O efeito Cherenkov pode ocorrer no vácuo. Em uma estrutura de onda lenta, como em um tubo de onda viajante (TWT), a velocidade da
fase diminui e a velocidade das partículas carregadas pode exceder a velocidade da fase enquanto permanece menor que . Em tal sistema, este efeito pode ser derivado da conservação da energia e momento onde o momento de um fóton deveria ser ( é constante de fase ) ao invés da relação de Broglie . Este tipo de radiação (VCR) é usado para gerar microondas de alta potência.Características
O espectro de
frequência da radiação Cherenkov por uma partícula é dado pela fórmula de Frank-Tamm :A fórmula de Frank-Tamm descreve a quantidade de energia emitida pela radiação Cherenkov, por unidade de comprimento viajada e por frequência . é a
permeabilidade e é o índice de refração do material através do qual a partícula de carga se move. é a carga elétrica da partícula, é a velocidade da partícula e é a velocidade da luz no vácuo.Ao contrário
dos espectros de fluorescência ou emissão que têm picos espectrais característicos, a radiação Cherenkov é contínua. Em torno do espectro visível, a intensidade relativa por unidade de frequência é aproximadamente proporcional à frequência. Ou seja, frequências mais altas (comprimentos de onda mais curtos ) são mais intensas na radiação Cherenkov. É por isso que a radiação Cherenkov visível é azul brilhante. Na verdade, a maior parte da radiação Cherenkov está no espectro ultravioleta - é apenas com cargas suficientemente aceleradas que se torna visível; a sensibilidade do olho humano atinge o pico no verde e é muito baixa na porção violeta do espectro.Há uma frequência de corte acima da qual a equação não pode mais ser satisfeita. O
índice de refração varia com a frequência (e, portanto, com o comprimento de onda) de tal forma que a intensidade não pode continuar a aumentar em comprimentos de onda cada vez mais curtos, mesmo para partículas muito relativísticas (onde v / c é próximo a 1). Nas frequências de raios-X , o índice de refração torna-se menor que 1 (observe que na mídia, a velocidade de fase pode exceder c sem violar a relatividade) e, portanto, nenhuma emissão de raios-X (ou emissões de comprimento de onda mais curtas, como raios gama ) seria observada. No entanto, os raios X podem ser gerados em frequências especiais logo abaixo das frequências correspondentes às transições eletrônicas do núcleo em um material, já que o índice de refração é frequentemente maior que 1 logo abaixo de uma frequência ressonante (ver relação Kramers-Kronig e dispersão anômala ).Como em estrondos sônicos e choques de proa, o ângulo do cone de choque está diretamente relacionado à velocidade da interrupção. O ângulo Cherenkov é zero na velocidade limite para a emissão da radiação Cherenkov. O ângulo atinge um máximo conforme a velocidade da partícula se aproxima da velocidade da luz. Portanto, os ângulos de incidência observados podem ser usados para calcular a direção e a velocidade de uma carga produtora de radiação Cherenkov.
A radiação Cherenkov pode ser gerada no olho por partículas carregadas que atingem o humor vítreo , dando a impressão de flashes, como em fenômenos visuais de raios cósmicos e possivelmente algumas observações de acidentes de
criticalidade .Usos
Detecção de biomoléculas marcadas
A radiação Cherenkov é amplamente utilizada para facilitar a detecção de pequenas quantidades e baixas concentrações de biomoléculas . Os átomos radioativos, como o fósforo-32, são facilmente introduzidos em biomoléculas por meios enzimáticos e sintéticos e, subsequentemente, podem ser facilmente detectados em pequenas quantidades com a finalidade de elucidar as vias biológicas e na caracterização da interação de moléculas biológicas, como constantes de afinidade e taxas de dissociação.
Imagens médicas de radioisótopos e radioterapia de feixe externo
Mais recentemente, a luz Cherenkov foi usada para criar imagens de substâncias no corpo. Essas descobertas geraram intenso interesse em torno da ideia de usar esse sinal de luz para quantificar e / ou detectar radiação no corpo, seja de fontes internas, como radiofármacos injetados, seja de radioterapia por feixe externo em oncologia. Radioisótopos como os emissores de pósitrons 18 F e 13 N ou emissores beta 32 P ou 90 Y têm emissão Cherenkov mensurável e os isótopos 18 F e 131 I foram fotografados em humanos para demonstração de valor diagnóstico. A radioterapia por feixe externo demonstrou induzir uma quantidade substancial de luz Cherenkov no tecido a ser tratado, devido aos níveis de energia do feixe de fótons usados nas faixas de 6 MeV a 18 MeV. Os elétrons secundários induzidos por esses raios-x de alta energia resultam na emissão de luz Cherenkov, onde o sinal detectado pode ser visualizado nas superfícies de entrada e saída do tecido.
Reatores nucleares
A radiação Cherenkov é usada para detectar partículas carregadas de alta energia. Em reatores de piscina aberta , as partículas beta (elétrons de alta energia) são liberadas à medida que os produtos da
fissão decaem. O brilho continua depois que a reação em cadeia para, diminuindo conforme os produtos de vida mais curta se deterioram. Da mesma forma, a radiação Cherenkov pode caracterizar a radioatividade remanescente das barras de combustível irradiado. Este fenômeno é usado para verificar a presença de combustível nuclear irradiado em reservatórios de combustível irradiado para fins de salvaguardas nucleares.Experimentos de astrofísica
Quando um
fóton gama ou raio cósmico de alta energia ( TeV ) interage com a atmosfera da Terra , ele pode produzir um par elétron- pósitron com velocidades enormes. A radiação Cherenkov emitida na atmosfera por essas partículas carregadas é usada para determinar a direção e a energia do raio cósmico ou raio gama, que é usado, por exemplo, na Técnica de Imaging Atmospheric Cherenkov ( IACT ), por experimentos como VERITAS , HESS , MAGIC . A radiação Cherenkov emitida em tanques cheios de água por essas partículas carregadas que atingem a terra é usada para o mesmo objetivo pelo experimento Extensive Air Shower HAWC , o Observatório Pierre Auger e outros projetos. Métodos semelhantes são usados em detectores de neutrinos muito grandes , como o Super-Kamiokande , o Sudbury Neutrino Observatory (SNO) e o IceCube . Outros projetos operaram no passado aplicando técnicas relacionadas, como o STACEE , uma antiga torre solar reformada para funcionar como um observatório Cherenkov sem imagem, localizado no Novo México .Observatórios astrofísicos usando a técnica de Cherenkov para medir chuvas de ar são fundamentais para determinar as propriedades de objetos astronômicos que emitem raios gama de energia muito alta, como vestígios de supernovas e blazares .
Experimentos de física de partículas
A radiação Cherenkov é comumente usada em física de partículas experimental para identificação de partículas. Pode-se medir (ou colocar limites) a velocidade de uma partícula elementar eletricamente carregada pelas propriedades da luz Cherenkov que ela emite em um determinado meio. Se o momento da partícula for medido independentemente, pode-se calcular a massa da partícula por seu momento e velocidade (veja quatro momentos ) e, portanto, identificar a partícula.
O tipo mais simples de dispositivo de identificação de partículas baseado em uma técnica de radiação Cherenkov é o contador de limiar, que responde se a velocidade de uma partícula carregada é menor ou maior que um certo valor ( , onde é a
velocidade da luz , e é o índice de refração de o meio) observando se essa partícula emite luz Cherenkov em um determinado meio. Conhecendo o momento da partícula, pode-se separar as partículas mais leves do que um determinado limite daquelas mais pesadas do que o limite.O tipo mais avançado de detector é o RICH, ou detector Cherenkov de imagem em anel , desenvolvido na década de 1980. Em um detector RICH, um cone de luz Cherenkov é produzido quando uma partícula carregada de alta velocidade atravessa um meio adequado, geralmente chamado de radiador. Este cone de luz é detectado em um detector de fótons planar sensível à posição, que permite reconstruir um anel ou disco, cujo raio é uma medida do ângulo de emissão de Cherenkov. Ambos os detectores de foco e foco de proximidade estão em uso. Em um detector RICH de foco, os fótons são coletados por um espelho esférico e focalizados no detector de fótons colocado no plano focal. O resultado é um círculo com um raio independente do ponto de emissão ao longo da trilha de partículas. Este esquema é adequado para radiadores de baixo índice de refração - ou seja, gases - devido ao comprimento maior do radiador necessário para criar fótons suficientes. No projeto de foco de proximidade mais compacto, um volume fino do radiador emite um cone de luz Cherenkov que atravessa uma pequena distância - a lacuna de proximidade - e é detectado no plano do detector de fótons. A imagem é um anel de luz cujo raio é definido pelo ângulo de emissão Cherenkov e a lacuna de proximidade. A espessura do anel é determinada pela espessura do radiador. Um exemplo de detector RICH de lacuna de proximidade é o Detector de Identificação de Partículas de Alto Momento (HMPID), um detector atualmente em construção para ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), um dos seis experimentos do LHC ( Large Hadron Collider ) no CERN .
Veja também
radiação semelhante produzida por partículas rápidas sem cargaCitações
Fontes
- Landau, LD; Liftshitz, EM; Pitaevskii, LP (1984). Electrodynamics of Continuous Media . Nova York: Pergamon Press . ISBN 978-0-08-030275-1.
- Jelley, JV (1958). Radiação de Cerenkov e suas aplicações . Londres: Pergamon Press .
- Smith, SJ; Purcell, EM (1953). "Luz visível de cargas superficiais localizadas que se movem através de uma grade". Revisão física . 92 (4): 1069. bibcode : 1953PhRv ... 92.1069S . doi : 10.1103 / PhysRev.92.1069 .
links externos
- Reator nuclear inicializado no YouTube
- Reator nuclear inicializando (link alternativo) no YouTube
- Radović, Andrija (2002). "Cherenkov's Particles as Magnetons" (PDF) . Journal of Theoretics . 4 (4): 1–5.