La radiación de Cherenkov es una reacción electromagnética que ocurre cuando partículas cargadas pasan a través de un medio transparente a una velocidad mayor que el mismo índice de fase de la luz en el mismo medio. El característico resplandor azul de un reactor nuclear submarino se debe a esta interacción.
Historia
La radiación lleva el nombre del científico soviético Pavel Cherenkov, ganador del Premio Nobel de 1958. Fue él quien lo descubrió por primera vez de forma experimental bajo la supervisión de un colega en 1934. Por lo tanto, también se conoce como efecto Vavilov-Cherenkov.
Un científico vio una tenue luz azulada alrededor de una droga radiactiva en el agua durante los experimentos. Su tesis doctoral versó sobre la luminiscencia de soluciones de sales de uranio, que eran excitadas por rayos gamma en lugar de la luz visible menos energética, como suele hacerse. Descubrió la anisotropía y concluyó que este efecto no era un fenómeno fluorescente.
Teoría de CherenkovLa radiación fue desarrollada más tarde en el marco de la teoría de la relatividad de Einstein por los colegas del científico Igor Tamm e Ilya Frank. También recibieron el Premio Nobel de 1958. La fórmula de Frank-Tamm describe la cantidad de energía emitida por partículas radiadas por unidad de longitud recorrida por unidad de frecuencia. Es el índice de refracción del material a través del cual pasa la carga.
La radiación de Cherenkov como un frente de onda cónico fue predicha teóricamente por el erudito inglés Oliver Heaviside en artículos publicados entre 1888 y 1889, y por Arnold Sommerfeld en 1904. Pero ambos fueron rápidamente olvidados después de la limitación de la relatividad de las superpartículas hasta la década de 1970. Marie Curie observó una luz azul pálido en una solución altamente concentrada de radio en 1910, pero no entró en detalles. En 1926, los radioterapeutas franceses dirigidos por Lucien describieron la radiación luminosa del radio, que tiene un espectro continuo.
Origen físico
Aunque la electrodinámica considera que la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal (C), la velocidad a la que se propaga la luz en un medio puede ser mucho menor que C. La velocidad puede aumentar durante las reacciones nucleares y en los aceleradores de partículas. Ahora está claro para los científicos que la radiación de Cherenkov ocurre cuando un electrón cargado pasa a través de un medio ópticamente transparente.
La analogía habitual es el estampido sónico de un avión ultrarrápido. Estas ondas, generadas por cuerpos reactivos,propagarse a la velocidad de la propia señal. Las partículas divergen más lentamente que un objeto en movimiento y no pueden avanzar delante de él. En cambio, forman un frente de impacto. De manera similar, una partícula cargada puede generar una onda de choque de luz cuando pasa a través de algún medio.
Además, la velocidad a exceder es una velocidad de fase, no una velocidad de grupo. La primera se puede cambiar drásticamente usando un medio periódico, en cuyo caso incluso se puede obtener la radiación de Cherenkov sin una velocidad mínima de partícula. Este fenómeno se conoce como efecto Smith-Purcell. En un medio periódico más complejo, como un cristal fotónico, también se pueden obtener muchas otras reacciones anómalas, como la radiación en la dirección opuesta.
Qué sucede en el reactor
En sus artículos originales sobre los fundamentos teóricos, Tamm y Frank escribieron: "La radiación de Cherenkov es una reacción peculiar que aparentemente no puede explicarse por ningún mecanismo general, como la interacción de un electrón rápido con un solo átomo o radiación dispersión en los núcleos Por otro lado, este fenómeno puede explicarse tanto cualitativa como cuantitativamente, si tenemos en cuenta que un electrón que se mueve en un medio emite luz, aunque se mueva uniformemente, siempre que su velocidad sea mayor que la del luz."
Sin embargo, hay algunos conceptos erróneos sobre la radiación de Cherenkov. Por ejemplo, se considera que el medio se polariza por el campo eléctrico de la partícula. Si este último se mueve lentamente, entonces el movimiento tiende a volver aequilibrio mecánico. Sin embargo, cuando la molécula se mueve lo suficientemente rápido, la velocidad de respuesta limitada del medio significa que el equilibrio permanece a su paso, y la energía contenida en él se irradia en forma de una onda de choque coherente.
Tales conceptos no tienen justificación analítica, ya que la radiación electromagnética se emite cuando partículas cargadas se mueven en un medio homogéneo a velocidades sublumínicas, que no se consideran radiación de Cherenkov.
Fenómeno inverso
El efecto Cherenkov se puede obtener usando sustancias llamadas metamateriales con un índice negativo. Es decir, con una microestructura de sublongitud de onda, lo que les confiere una propiedad "media" efectiva muy diferente a las demás, en este caso de permitividad negativa. Esto significa que cuando una partícula cargada pasa a través de un medio más rápido que la velocidad de fase, emitirá radiación de su paso a través de él desde el frente.
También es posible obtener la radiación de Cherenkov con un cono inverso en medios periódicos no metamateriales. Aquí, la estructura está en la misma escala que la longitud de onda, por lo que no puede considerarse un metamaterial efectivamente homogéneo.
Características
A diferencia de los espectros de emisión o fluorescencia, que tienen picos característicos, la radiación de Cherenkov es continua. Alrededor del brillo visible, la intensidad relativa por unidad de frecuencia es aproximadamenteproporcional a ella. Es decir, los valores más altos son más intensos.
Esta es la razón por la que la radiación visible de Cherenkov es azul brillante. De hecho, la mayoría de los procesos se encuentran en el espectro ultravioleta; solo con cargas lo suficientemente aceleradas se vuelve visible. La sensibilidad del ojo humano alcanza su punto máximo en verde y es muy baja en la parte violeta del espectro.
Reactores nucleares
La radiación de Cherenkov se utiliza para detectar partículas cargadas de alta energía. En unidades como los reactores nucleares, los electrones beta se liberan como productos de descomposición de la fisión. El brillo continúa después de que se detiene la reacción en cadena, y se atenúa a medida que se descomponen las sustancias de vida más corta. Además, la radiación de Cherenkov puede caracterizar la radiactividad restante de los elementos combustibles gastados. Este fenómeno se utiliza para verificar la presencia de combustible nuclear gastado en los tanques.
