Le rayonnement Cherenkov est une réaction électromagnétique qui se produit lorsque des particules chargées traversent un milieu transparent à une vitesse supérieure au même indice de phase de la lumière dans le même milieu. La lueur bleue caractéristique d'un réacteur nucléaire sous-marin est due à cette interaction.
Histoire
Le rayonnement porte le nom du scientifique soviétique Pavel Cherenkov, lauréat du prix Nobel de 1958. C'est lui qui l'a découvert expérimentalement sous la direction d'un collègue en 1934. Par conséquent, il est également connu sous le nom d'effet Vavilov-Cherenkov.
Un scientifique a vu une faible lumière bleutée autour d'un médicament radioactif dans l'eau au cours d'expériences. Sa thèse de doctorat portait sur la luminescence de solutions de sels d'uranium, qui étaient excitées par des rayons gamma au lieu de la lumière visible moins énergétique, comme on le fait habituellement. Il a découvert l'anisotropie et a conclu que cet effet n'était pas un phénomène de fluorescence.
La théorie de Cherenkovle rayonnement a ensuite été développé dans le cadre de la théorie de la relativité d'Einstein par les collègues du scientifique Igor Tamm et Ilya Frank. Ils ont également reçu le prix Nobel 1958. La formule de Frank-Tamm décrit la quantité d'énergie émise par les particules rayonnées par unité de longueur parcourue par unité de fréquence. C'est l'indice de réfraction du matériau à travers lequel passe la charge.
Le rayonnement Cherenkov en tant que front d'onde conique a été théoriquement prédit par le polymathe anglais Oliver Heaviside dans des articles publiés entre 1888 et 1889, et par Arnold Sommerfeld en 1904. Mais les deux ont été rapidement oubliés après la limitation de la relativité des superparticules jusque dans les années 1970. Marie Curie a observé une lumière bleu pâle dans une solution très concentrée de radium en 1910, mais n'est pas entrée dans les détails. En 1926, des radiothérapeutes français dirigés par Lucien ont décrit le rayonnement lumineux du radium, qui a un spectre continu.
Origine physique
Bien que l'électrodynamique considère que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle (C), la vitesse à laquelle la lumière se propage dans un milieu peut être bien inférieure à C. La vitesse peut augmenter lors de réactions nucléaires et dans les accélérateurs de particules. Il est maintenant clair pour les scientifiques que le rayonnement Cherenkov se produit lorsqu'un électron chargé traverse un milieu optiquement transparent.
L'analogie habituelle est le bang sonique d'un avion ultra-rapide. Ces ondes, générées par des corps réactifs,se propager à la vitesse du signal lui-même. Les particules divergent plus lentement qu'un objet en mouvement et ne peuvent pas avancer devant lui. Au lieu de cela, ils forment un front d'impact. De même, une particule chargée peut générer une onde de choc légère lorsqu'elle traverse un milieu.
Aussi, la vitesse à dépasser est une vitesse de phase, pas une vitesse de groupe. Le premier peut être modifié radicalement en utilisant un milieu périodique, auquel cas on peut même obtenir un rayonnement Cherenkov sans vitesse minimale des particules. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Smith-Purcell. Dans un milieu périodique plus complexe, tel qu'un cristal photonique, de nombreuses autres réactions anormales peuvent également être obtenues, telles qu'un rayonnement dans la direction opposée.
Ce qui se passe dans le réacteur
Dans leurs articles originaux sur les fondements théoriques, Tamm et Frank ont écrit: "Le rayonnement Cherenkov est une réaction particulière qui ne peut apparemment être expliquée par aucun mécanisme général, tel que l'interaction d'un électron rapide avec un seul atome ou un rayonnement radiatif. diffusion dans les noyaux D'autre part, ce phénomène peut s'expliquer à la fois qualitativement et quantitativement, si l'on tient compte du fait qu'un électron se déplaçant dans un milieu émet de la lumière, même s'il se déplace uniformément, à condition que sa vitesse soit supérieure à celle de lumière."
Cependant, il existe certaines idées fausses sur le rayonnement Cherenkov. Par exemple, on considère que le milieu devient polarisé par le champ électrique de la particule. Si ce dernier se déplace lentement, alors le mouvement tend à revenir àéquilibre mécanique. Cependant, lorsque la molécule se déplace assez rapidement, la vitesse de réponse limitée du milieu signifie que l'équilibre reste dans son sillage et que l'énergie qu'il contient est rayonnée sous la forme d'une onde de choc cohérente.
De tels concepts n'ont aucune justification analytique, puisque le rayonnement électromagnétique est émis lorsque des particules chargées se déplacent dans un milieu homogène à des vitesses subluminales, qui ne sont pas considérées comme un rayonnement Cherenkov.
Phénomène inverse
L'effet Cherenkov peut être obtenu en utilisant des substances appelées métamatériaux à indice négatif. C'est-à-dire avec une microstructure sub-longueur d'onde, ce qui leur confère une propriété "moyenne" effective très différente des autres, ayant en l'occurrence une permittivité négative. Cela signifie que lorsqu'une particule chargée traverse un milieu plus rapidement que la vitesse de phase, elle émettra un rayonnement à partir de son passage à travers elle par l'avant.
Il est également possible d'obtenir un rayonnement Cherenkov avec un cône inverse dans des milieux périodiques non métamatériaux. Ici, la structure est à la même échelle que la longueur d'onde, il ne peut donc pas être considéré comme un métamatériau effectivement homogène.
Caractéristiques
Contrairement aux spectres de fluorescence ou d'émission, qui ont des pics caractéristiques, le rayonnement Cherenkov est continu. Autour de la lueur visible, l'intensité relative par unité de fréquence est d'environproportionnelle à elle. C'est-à-dire que les valeurs plus élevées sont plus intenses.
C'est pourquoi le rayonnement Cherenkov visible est bleu vif. En fait, la plupart des processus se situent dans le spectre ultraviolet - ce n'est qu'avec des charges suffisamment accélérées qu'il devient visible. La sensibilité de l'œil humain culmine dans le vert et est très faible dans la partie violette du spectre.
Réacteurs nucléaires
Le rayonnement Cherenkov est utilisé pour détecter les particules chargées à haute énergie. Dans les unités telles que les réacteurs nucléaires, les électrons bêta sont libérés sous forme de produits de désintégration de fission. La lueur continue après l'arrêt de la réaction en chaîne, diminuant à mesure que les substances à durée de vie plus courte se désintègrent. En outre, le rayonnement Cherenkov peut caractériser la radioactivité restante des éléments combustibles usés. Ce phénomène est utilisé pour vérifier la présence de combustible nucléaire usé dans les réservoirs.
