Efeito Tcherenkov
A radiação de Tcherenkov acontece quando uma partícula carregada eletricamente atravessa um meio isolante a uma velocidade superior à da luz neste meio, ela emite radiação eletromagnética que pode ser na faixa visível. A luminosidade azul, característica de reatores nucleares, deve-se à radiação de Tcherenkov. O nome é em homenagem ao cientista soviético Pavel Tcherenkov, vencedor do Prêmio Nobel de Física de 1958, que primeiro caracterizou rigorosamente o efeito.
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 percebe-se que ela é retardada pelo meio. Por exemplo, na água ela é de apenas ~0,75c. A matéria pode acelerar a uma velocidade superior a esta (embora ainda inferior a c, a velocidade da luz no vácuo) durante reações nucleares e em aceleradores de partículas. A radiação Cherenkov resulta quando uma partícula carregada, mostmente um elétron, viaja através de um meio dielétrico com uma velocidade superior à velocidade da luz nesse meio. O efeito pode ser descrito intuitivamente da seguinte maneira. Pela física clássica, sabe-se que partículas carregadas em aceleração emitem ondas EM e, via princípio de Huygens, essas ondas formarão frentes de onda esféricas que se propagam com a velocidade de fase daquele meio (ou seja, a velocidade da luz nesse meio dada por c / n {\displaystyle c/n} , para n {\displaystyle n} , o índice de refração). Quando qualquer partícula carregada passa por um meio, as partículas do meio se polarizam ao seu redor em resposta. A partícula carregada excita as moléculas no meio polarizável e, ao retornarem ao seu estado fundamental, as moléculas reemitem a energia que lhes foi dada para alcançar a excitação como fótons. Esses fótons formam as frentes de onda esféricas que podem ser vistas originando-se da partícula em movimento.
Ângulo de emissão
Na figura sobre a geometria, a partícula (seta vermelha) viaja em um meio com velocidade v p {\displaystyle v_{\text{p}}} tal que c n < v p < c , {\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,} onde c {\displaystyle c} é a velocidade da luz no vácuo e n {\displaystyle n} é o índice de refração do meio. Se o meio for água, a condição é 0.75 c < v p < c {\displaystyle 0.75c<v_{\text{p}}<c} , pois n ≈ 1.33 {\displaystyle n\approx 1.33} para a água a 20 °C. Definimos a razão entre a velocidade da partícula e a velocidade da luz como β = v p c . {\displaystyle \beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.} As ondas de luz emitidas (denotadas por setas azuis) viajam à velocidade v em = c n . {\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}
Ângulo de emissão arbitrário
A radiação Cherenkov também pode irradiar em uma direção arbitrária usando metamateriais unidimensionais adequadamente projetados. Estes últimos são projetados para introduzir um gradiente de retardamento de fase ao longo da trajetória da partícula em movimento rápido ( d ϕ / d x {\displaystyle d\phi /dx} ), invertendo ou direcionando a emissão Cherenkov em ângulos arbitrários dados pela relação generalizada: cos θ = 1 n β + n k 0 ⋅ d ϕ d x {\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}} Note que, como essa razão 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 extremidades direitas coincidentes com a mostrada.
Efeito Cherenkov reverso
Um efeito Cherenkov reverso pode ser experimentado usando materiais chamados metamateriais de índice negativo (materiais com uma microestrutura de subcomprimento de onda que lhes confere uma propriedade "média" eficaz 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 superior à velocidade de fase da luz nesse meio, essa partícula emite radiação rastejante a partir de seu progresso através do meio, em vez de à frente dele (como é o caso em materiais normais com permissividade e permeabilidade positivas). Também se pode obter tal radiação Cherenkov de cone reverso em meios periódicos não metamateriais, onde a estrutura periódica está na mesma escala que o comprimento de onda, de modo que 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 ondas progressivas (TWT), a velocidade de fase diminui e a velocidade das partículas carregadas pode exceder a velocidade de fase permanecendo inferior a c {\displaystyle c} . Em tal sistema, este efeito pode ser derivado da conservação de energia e momento, onde o momento de um fóton deve ser p = ℏ β {\displaystyle p=\hbar \beta } ( β {\displaystyle \beta } é a constante de fase) em vez da relação de de Broglie p = ℏ k {\displaystyle p=\hbar k} . Este tipo de radiação (VCR) é usado para gerar micro-ondas de alta potência.
Cherenkov coletivo
Radiação com as mesmas propriedades da radiação Cherenkov típica pode ser criada por estruturas de corrente elétrica que viajam mais rápido que a luz. Ao manipular perfis de densidade em configurações de aceleração de plasma, estruturas de até nanocoulombs de densidade de carga são criadas e podem viajar mais rápido que a velocidade da luz e emitir choques ópticos no ângulo de Cherenkov. Os elétrons ainda são subluminais, portanto, os elétrons que compõem a estrutura em um tempo t = t0 são diferentes dos elétrons na estrutura em um tempo t > t0.
Embora um só elétron não possa ir mais rápido do que a luz no vácuo, é possível criar estruturas de carga que viajam mais rápido do que a luz. Em certos setups, estas radiam como se fossem uma só partícula, dando origem a choques óticos no ângulo de Tcherenkov.
O espectro de frequência da radiação Cherenkov por uma partícula é dado pela fórmula de Frank–Tamm: d 2 E d x d ω = q 2 4 π μ ( ω ) ω ( 1 − c 2 v 2 n 2 ( ω ) ) {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} ^{2}E}{\mathrm {d} x\,\mathrm {d} \omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}} A fórmula de Frank–Tamm descreve a quantidade de energia E {\displaystyle E} emitida pela radiação Cherenkov, por unidade de comprimento percorrido x {\displaystyle x} e por frequência ω {\displaystyle \omega } . μ ( ω ) {\displaystyle \mu (\omega )} é a permeabilidade e n ( ω ) {\displaystyle n(\omega )} é o índice de refração do material através do qual a partícula carregada se move. q {\displaystyle q} é a carga elétrica da partícula, v {\displaystyle v} é a velocidade da partícula e c {\displaystyle c} é a velocidade da luz no vácuo. Ao contrário dos espectros de fluorescência ou de emissão no espectro eletromagnético que possuem 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, com frequências mais altas (comprimentos de onda mais curtos) sendo mais intensas na radiação Cherenkov. A radiação Cherenkov visível é observada como um azul brilhante porque, embora a maior parte da radiação Cherenkov esteja no espectro ultravioleta, é apenas com cargas suficientemente aceleradas que ela se torna visível; a sensibilidade do olho humano atinge o pico no verde e é muito baixa na porção violeta do espectro.
Detecção de biomoléculas marcadas
A radiação Cherenkov é amplamente utilizada para facilitar a detecção de pequenas quantidades e baixas concentrações de biomoléculas. Átomos radioativos, como o fósforo-32, são facilmente introduzidos em biomoléculas por meios enzimáticos e sintéticos e, posteriormente, podem ser facilmente detectados em pequenas quantidades com o objetivo de elucidar vias biológicas e caracterizar a interação de moléculas biológicas, como constantes de afinidade e taxas de dissociação.
Imagem médica de radioisótopos e radioterapia de feixe externo
Mais recentemente, a luz Cherenkov tem sido usada para obter imagens de substâncias no corpo. Essas descobertas levaram a um intenso interesse em torno da ideia de usar esse sinal luminoso para quantificar e/ou detectar radiação no corpo, seja de fontes internas, como radiofármacos injetados, ou de radioterapia de feixe externo em oncologia. Radioisótopos como os emissores de pósitrons 18F e 13N ou emissores beta 32P ou 90Y têm emissão Cherenkov mensurável e os isótopos 18F e 131I tiveram imagens obtidas em humanos para demonstração de valor diagnóstico. A radioterapia de feixe externo demonstrou induzir uma quantidade substancial de luz Cherenkov no tecido que está sendo tratado, devido a feixes de elétrons ou feixes de fótons com energia nas faixas de 6 MV a 18 MV. 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. A luz Cherenkov emitida pelo tecido do paciente durante a radioterapia é um sinal de nível de luz muito baixo, mas pode ser detectada por câmeras especialmente projetadas que sincronizam sua aquisição com os pulsos do acelerador linear. A capacidade de ver esse sinal mostra a forma do feixe de radiação conforme ele incide sobre o tecido em tempo real.
Reatores nucleares
A radiação Cherenkov é usada para detectar partículas carregadas de alta energia. Em reatores de piscina aberta, partículas beta (elétrons de alta energia) são liberadas à medida que os produtos de fissão decaem. O brilho continua após a interrupção da reação em cadeia, diminuindo à medida que os produtos de vida curta decaem. Da mesma forma, a radiação Cherenkov pode caracterizar a radioatividade remanescente de varetas de combustível usado. Esse fenômeno é usado para verificar a presença de combustível nuclear irradiado em piscinas de resfriamento para fins de salvaguardas nucleares.
Experimentos de astrofísica
Quando um fóton gama de alta energia (TeV) ou um raio cósmico 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, técnica utilizada, por exemplo, na Técnica de Imagem Atmosférica Cherenkov (IACT), por experimentos como VERITAS, H.E.S.S. e 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 HAWC, pelo 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.
Experimentos de física de partículas
A radiação Cherenkov é comumente usada na física de partículas experimental para identificação de partículas. Pode-se medir (ou colocar limites na) 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 Quadrimomento), e assim identificar a partícula. O tipo mais simples de dispositivo de identificação de partículas baseado na técnica de radiação Cherenkov é o contador de limiar, que indica se a velocidade de uma partícula carregada é menor ou maior que um certo valor ( v 0 = c / n {\displaystyle v_{0}=c/n} , onde c {\displaystyle c} é a velocidade da luz e n {\displaystyle n} é o índice de refração do meio) observando se essa partícula emite luz Cherenkov em um determinado meio.
