Radiação Cherenkov (Cherenkov radiation)

Radiação Cherenkov () constitui radiação eletromagnética gerada quando uma partícula carregada (por exemplo, um elétron) atravessa um meio dielétrico (como água destilada) a uma velocidade que excede a velocidade de fase (ou seja, a velocidade de propagação da frente de onda) da luz dentro desse meio específico. Uma manifestação quintessencial da radiação Cherenkov é a distinta luminescência azul observada em reatores nucleares subaquáticos. Este fenómeno partilha uma analogia causal com um estrondo sónico, que é o evento acústico agudo produzido por objetos que se movem a velocidades supersónicas. O fenômeno recebeu esse nome em homenagem ao físico soviético Pavel Cherenkov.

Histórico

Esta radiação tem o nome do cientista soviético Pavel Cherenkov, ganhador do Prêmio Nobel de 1958, que a identificou experimentalmente pela primeira vez em 1934 no Instituto Lebedev, sob a orientação de Sergey Vavilov. Consequentemente, também é designada como radiação Vavilov-Cherenkov. Durante seus experimentos, Cherenkov observou uma sutil emissão azulada emanando de uma amostra radioativa imersa em água. Sua pesquisa de doutorado concentrou-se na luminescência de soluções de sal de urânio, que ele excitou usando raios gama em vez da luz visível menos energética convencionalmente empregada. Posteriormente, ele identificou a anisotropia da radiação e concluiu que o brilho azulado observado não se originava da fluorescência.

A estrutura teórica para este efeito foi posteriormente estabelecida em 1937 pelos colaboradores de Cherenkov, Igor Tamm e Ilya Frank, no contexto da teoria da relatividade especial de Einstein; eles também foram co-recebedores do Prêmio Nobel de 1958.

A existência teórica da radiação Cherenkov, manifestando-se como frentes de onda cônicas, foi prevista de forma independente pelo polímata inglês Oliver Heaviside em publicações que abrangem 1888-1889 e por Arnold Sommerfeld em 1904. No entanto, essas previsões foram amplamente desconsideradas até a década de 1970, principalmente devido à interpretação predominante da teoria da relatividade que exclui velocidades de partículas superluminais. Em 1910, Marie Curie notou uma luz azul fraca emanando de uma solução altamente concentrada de rádio, embora ela não tenha investigado sua origem. Posteriormente, em 1926, o radioterapeuta francês Lucien Mallet documentou o espectro contínuo de radiação luminosa produzida quando o rádio irradiou água.

Em 2019, uma equipe de pesquisa afiliada ao Norris Cotton Cancer Center de Dartmouth e Dartmouth-Hitchcock identificou a geração de luz Cherenkov no humor vítreo de pacientes recebendo radioterapia. Esta luz foi detectada utilizando um sistema de imagem de câmera especializado, denominado CDose, projetado para observar emissões de luz de sistemas biológicos. Durante várias décadas, pacientes submetidos a radioterapia para câncer cerebral relataram consistentemente experimentar fenômenos como “flashes de luz brilhante ou azul”; no entanto, esses relatos subjetivos não tinham anteriormente corroboração experimental.

Origem Física

Básico

Embora a velocidade da luz no vácuo constitua uma constante universal (c = 299.792.458 m/s), sua velocidade dentro de um meio material pode ser substancialmente reduzida, devido às propriedades refrativas do meio. Por exemplo, na água, essa velocidade é de aproximadamente 0,75‍c. Durante as reações nucleares e dentro dos aceleradores de partículas, a matéria pode atingir velocidades que ultrapassam esta velocidade reduzida, embora permaneça abaixo de c, a velocidade da luz no vácuo. A radiação Cherenkov é consequentemente gerada quando uma partícula carregada, normalmente um elétron, se propaga através de um meio dielétrico a uma velocidade que excede a velocidade de fase da luz dentro desse meio específico.

Este fenômeno pode ser entendido intuitivamente da seguinte maneira. A física clássica determina que partículas carregadas em aceleração emitem ondas eletromagnéticas. De acordo com o princípio de Huygens, essas ondas geram frentes de onda esféricas que se propagam na velocidade de fase do meio, que é a velocidade da luz naquele meio, definida como ${\displaystyle c/n}$, onde ${\displaystyle n}$ representa o índice de refração. À medida que uma partícula carregada atravessa um meio, as partículas constituintes do meio polarizam-se na sua vizinhança. A partícula carregada excita as moléculas dentro do meio polarizável; posteriormente, essas moléculas retornam ao seu estado fundamental, reemitindo a energia de excitação absorvida na forma de fótons. Esses fótons se aglutinam para formar frentes de onda esféricas, emanando visivelmente da partícula em movimento. Se a velocidade da partícula carregada, ${\displaystyle v_{\text{p}}$, for menor que a velocidade da luz no meio, o campo de polarização ao redor da partícula normalmente permanece simétrico. Embora as frentes de onda emitidas possam agrupar-se, elas não se sobrepõem nem se cruzam, evitando assim quaisquer fenómenos de interferência significativos. Por outro lado, quando ${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$, o campo de polarização torna-se assimétrico na direção do movimento da partícula porque as partículas do meio não têm tempo suficiente para reverter aos seus estados aleatórios de equilíbrio. Essa assimetria causa sobreposição de formas de onda, levando a uma interferência construtiva que se manifesta como um sinal de luz característico em forma de cone, conhecido como luz Cherenkov, emitido em um ângulo específico.

Uma analogia frequentemente citada para este fenômeno é o estrondo sônico produzido por uma aeronave supersônica. As ondas sonoras emitidas pela aeronave se propagam na velocidade do som, que é mais lenta que a velocidade da aeronave, impedindo-as de avançar à frente da aeronave e formando uma frente de choque cônica. Analogamente, uma partícula carregada atravessando um meio isolante pode gerar uma "onda de choque" de luz visível.

A velocidade crítica que deve ser superada é a velocidade de fase da luz, não sua velocidade de grupo. A utilização de um meio periódico pode modificar significativamente a velocidade da fase, potencialmente permitindo a radiação Cherenkov sem velocidade mínima de partícula, um fenômeno denominado efeito Smith-Purcell. Dentro de meios periódicos mais complexos, como cristais fotônicos, vários efeitos Cherenkov anômalos podem surgir, incluindo radiação reversa, que contrasta com a radiação Cherenkov convencional que normalmente forma um ângulo agudo em relação à velocidade da partícula.

Em seu trabalho teórico fundamental sobre a radiação Cherenkov, Tamm e Frank declararam: "Esta radiação peculiar evidentemente não pode ser explicada por nenhum mecanismo comum, como a interação do elétron rápido com o átomo individual ou como espalhamento radiativo de elétrons em núcleos atômicos. Por outro lado, o fenômeno pode ser explicado tanto qualitativa quanto quantitativamente se levarmos em conta o fato de que um elétron se movendo em um meio irradia luz mesmo que esteja se movendo uniformemente, desde que sua velocidade seja maior que a velocidade da luz no médio."

Ângulo de emissão

Conforme ilustrado no diagrama geométrico, uma partícula (indicada pela seta vermelha) atravessa um meio a uma velocidade ${\displaystyle v_{\text{p}}}$$${\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,}$$${\displaystyle c}$${\displaystyle n}$${\displaystyle 0,75c<v_{\text{p}}<c}$${\displaystyle n\approx 1,33}$

A razão entre a velocidade da partícula e a velocidade da luz é definida como $${\displaystyle \beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.}$$vem=cn.{\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}

A posição inicial da partícula superluminal, no tempo t = 0, é indicada pelo vértice esquerdo de o triângulo. A localização subsequente da partícula em um momento posterior t corresponde ao vértice reto do triângulo. Durante este intervalo t, a partícula percorre uma distância $${\displaystyle x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct}$$xem=vemt=cnt.{\displaystyle x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.}

Consequentemente, o ângulo de emissão é determinado pela seguinte relação: cos⁡<!-- ⁡ -->θ<!-- θ -->=§1819§nβ{\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}.

O ângulo de emissão derivado é considerado arbitrário.

A radiação Cherenkov também pode ser direcionada arbitrariamente através do uso de metamateriais unidimensionais especificamente projetados. Esses metamateriais são projetados para introduzir um gradiente de retardo de fase ao longo da trajetória de uma partícula em movimento rápido (${\displaystyle d\phi /dx}$), permitindo assim a reversão ou direção da emissão Cherenkov em ângulos arbitrários, conforme definido pela relação generalizada: porque ⁡<!-- ⁡ --> θ<!-- θ --> = §4546§ n β + n ok §6667§ ⋅ d ϕ d x {\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}

Dado que esta relação é independente do tempo, é possível selecionar quaisquer intervalos de tempo arbitrários e observar a formação de triângulos semelhantes. A constância do ângulo implica que as ondas subsequentes, geradas entre um tempo inicial de t = 0 e um tempo final de t, produzirão triângulos semelhantes cujas extremidades direitas coincidem com a configuração representada.

Efeito Cherenkov reverso

O efeito Cherenkov reverso pode ser observado em metamateriais de índice negativo, que são caracterizados por uma microestrutura de subcomprimento de onda que confere propriedades médias efetivas significativamente distintas daquelas de seus componentes constituintes, exibindo especificamente permissividade negativa e permeabilidade negativa. Conseqüentemente, quando uma partícula carregada, normalmente um elétron, atravessa tal meio a uma velocidade que excede a velocidade de fase da luz dentro dele, a partícula emite radiação que segue seu caminho, em vez de precedê-lo, ao contrário da emissão observada em materiais convencionais com permissividade e permeabilidade positivas. Além disso, esta radiação Cherenkov de cone reverso também pode ser gerada em meios periódicos não metamateriais, onde a periodicidade da estrutura é comparável ao comprimento de onda, impedindo assim o seu tratamento como um metamaterial efetivamente homogêneo.

No vácuo

O efeito Cherenkov também é observável no vácuo. Dentro de uma estrutura de ondas lentas, como um tubo de ondas viajantes (TWT), a velocidade de fase é reduzida, permitindo que partículas carregadas ultrapassem essa velocidade de fase enquanto ainda mantêm uma velocidade abaixo de ${\displaystyle c}$. Em tais sistemas, esse fenômeno pode ser derivado da conservação de energia e momento, onde o momento do fóton é definido como ${\displaystyle p=\hbar \beta }$ (com ${\displaystyle \beta }$ representando a constante de fase), divergindo da relação de de Broglie ${\displaystyle p=\hbar k}$. Este tipo específico de radiação, conhecido como Radiação Cherenkov a Vácuo (VCR), é empregado na geração de microondas de alta potência.

Coletivo Cherenkov

A radiação que exibe características idênticas à radiação Cherenkov convencional pode ser gerada por estruturas de corrente elétrica que se propagam em velocidades superluminais. Através da manipulação de perfis de densidade em configurações de aceleração de plasma, podem ser formadas estruturas que transportam cargas até nanocoulombs, excedendo potencialmente a velocidade da luz e emitindo choques ópticos no ângulo de Cherenkov. Como os elétrons individuais permanecem subluminais, a população de elétrons que constitui a estrutura em um determinado momento t = t§56§ difere da população de elétrons dentro da estrutura em um momento subsequente t > t§1314§.

Características

A distribuição espectral da radiação Cherenkov emitida por uma partícula é definida com precisão pela fórmula de Frank-Tamm: d §1516§ E d x d ω<!-- ω --> = q §4950§ §5455§ π<!-- π --> μ<!-- μ --> ( ω<!-- ω --> ) ω<!-- ω --> ( §8081§ − c §9192§ v §100101§ n §108 {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}}" display="block" xmlns="w3.org/1998/Math/MathML">109§ ( 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)}}

Esta fórmula quantifica a energia ${\displaystyle E}$ emitida como radiação Cherenkov por unidade de comprimento de viagem ${\displaystyle x}$ e frequência por unidade ${\displaystyle \omega }$. Nesta expressão, ${\displaystyle \mu (\omega )}$ representa a permeabilidade, e ${\displaystyle n(\omega )}$ denota o índice de refração do meio através do qual a partícula carregada se propaga. Além disso, ${\displaystyle q}$ é a carga elétrica da partícula, ${\displaystyle v}$ é sua velocidade e ${\displaystyle c}$ significa a velocidade da luz no vácuo.

Em contraste com a fluorescência ou outros espectros de emissão caracterizados por picos espectrais distintos, a radiação Cherenkov exibe um espectro contínuo. Dentro da faixa visível, a intensidade relativa por unidade de frequência é aproximadamente proporcional à frequência, indicando que frequências mais altas (correspondendo a comprimentos de onda mais curtos) possuem maior intensidade. A aparência azul brilhante da radiação Cherenkov visível decorre do fato de que, embora a maior parte dessa radiação ocorra no espectro ultravioleta, ela só se torna perceptível ao olho humano com partículas carregadas com energia suficiente; além disso, a sensibilidade visual humana é mais alta na região verde e significativamente diminuída na parte violeta do espectro.

Existe uma frequência de corte específica, além da qual a equação cos ⁡<!-- ⁡ --> θ<!-- θ --> = §1617§ / ( n β ) {\displaystyle \cos \theta =1/(n\beta )} torna-se inválido. O índice de refração, denotado por ${\displaystyle n}$, exibe variação dependente da frequência (e, portanto, variação dependente do comprimento de onda), evitando que a intensidade aumente continuamente em comprimentos de onda progressivamente mais curtos, mesmo para partículas altamente relativísticas (onde v/c se aproxima da unidade). Nas frequências de raios X, o índice de refração cai abaixo de 1; conseqüentemente, nenhuma emissão de raios X ou radiação de comprimento de onda mais curto, como os raios gama, seriam detectáveis. É importante notar que dentro de um meio, a velocidade da fase pode ultrapassar c sem violar os princípios da relatividade. No entanto, os raios X podem ser produzidos em frequências específicas imediatamente abaixo daquelas associadas às transições electrónicas do núcleo num determinado material, porque o índice de refracção frequentemente excede 1 logo abaixo de uma frequência de ressonância.

Análogos aos estrondos sónicos e aos choques de arco, o ângulo do cone de choque resultante correlaciona-se directamente com a velocidade da perturbação. O ângulo Cherenkov registra zero na velocidade limite necessária para a emissão de radiação Cherenkov. Este ângulo atinge seu valor máximo à medida que a velocidade da partícula se aproxima da velocidade da luz. Consequentemente, as medições dos ângulos de incidência permitem o cálculo da direção e da velocidade de uma carga que gera a radiação Cherenkov.

A radiação Cherenkov pode ser produzida no olho humano quando partículas carregadas impactam o humor vítreo, manifestando-se como flashes percebidos. Este fenômeno é observado em efeitos visuais de raios cósmicos e potencialmente em certos cenários de acidentes de criticidade.

Aplicativos

Detecção de biomoléculas marcadas

A radiação Cherenkov é amplamente empregada para detectar quantidades mínimas e baixas concentrações de biomoléculas. Isótopos radioativos, como o fósforo-32, são facilmente incorporados em biomoléculas através de processos enzimáticos e sintéticos. Essas moléculas marcadas podem então ser facilmente detectadas em pequenas quantidades, servindo para elucidar vias biológicas e caracterizar interações moleculares, incluindo constantes de afinidade e taxas de dissociação.

Imagens médicas de radioisótopos e radioterapia por feixe externo

Em desenvolvimentos recentes, a luz Cherenkov tem sido utilizada para imagens de substâncias dentro do corpo humano. Esses avanços geraram um interesse considerável no emprego deste sinal óptico para quantificar e/ou detectar radiação dentro do corpo, seja proveniente de fontes internas como radiofármacos injetados ou de radioterapia por feixe externo em aplicações oncológicas. Vários radioisótopos, incluindo emissores de pósitrons como ¹⁸F e ¹³N, e emissores beta como ³²P ou ⁹⁰Y, exibem emissão Cherenkov detectável. Além disso, os isótopos ¹⁸F e ¹³¹I foram fotografados com sucesso em seres humanos para demonstrar sua utilidade diagnóstica.

Reatores Nucleares

A radiação Cherenkov serve como método para detectar partículas carregadas de alta energia. Dentro dos reatores de piscina aberta, o decaimento dos produtos de fissão libera partículas beta, que são elétrons de alta energia. O brilho característico persiste mesmo após o término da reação em cadeia, diminuindo gradualmente à medida que os produtos de decomposição de vida mais curta se dissipam. Além disso, a radiação Cherenkov pode ser empregada para caracterizar a radioatividade residual de barras de combustível irradiado. Este fenómeno é aproveitado para confirmar a presença de combustível nuclear irradiado em reservatórios de armazenamento, apoiando assim os objetivos de salvaguardas nucleares.

Experimentos astrofísicos

Quando um fóton gama ou raio cósmico de alta energia (TeV) interage com a atmosfera da Terra, ele pode gerar um par elétron-pósitron com velocidades relativísticas. A radiação Cherenkov emitida na atmosfera por essas partículas carregadas é utilizada para determinar a direção e a energia do raio cósmico ou raio gama. Este princípio é aplicado, por exemplo, na Técnica Cherenkov de Imagem Atmosférica (IACT) por experimentos como VERITAS, H.E.S.S. e MAGIC. Da mesma forma, a radiação Cherenkov produzida por partículas carregadas que atingem a Terra e atravessam tanques cheios de água é empregada para o mesmo objetivo pelo experimento Extensive Air Shower HAWC, pelo Observatório Pierre Auger e outras iniciativas. Metodologias análogas são implementadas em detectores de neutrinos muito grandes, incluindo Super-Kamiokande, o Observatório de Neutrinos de Sudbury (SNO) e IceCube. Projetos anteriores que empregam técnicas relacionadas incluem STACEE, uma torre solar reaproveitada no Novo México que funcionou como um observatório Cherenkov sem geração de imagens.

Os observatórios astrofísicos que utilizam a técnica Cherenkov para medir chuvas de ar são fundamentais para caracterizar as propriedades de objetos astronômicos que emitem raios gama de energia muito alta, como remanescentes de supernovas e blazares.

Experimentos de física de partículas

A radiação Cherenkov é frequentemente empregada na física experimental de partículas para identificação de partículas. Os pesquisadores podem medir ou restringir a velocidade de uma partícula elementar eletricamente carregada com base nas características da luz Cherenkov emitida em um meio específico. Com uma medição independente do momento da partícula, sua massa pode ser calculada a partir do momento e da velocidade, permitindo assim a identificação da partícula.

O contador de limite representa o dispositivo de identificação de partículas mais simples que utiliza a radiação Cherenkov, determinando se a velocidade de uma partícula carregada excede ou cai abaixo de um valor limite específico (v §1011§ = c / n {\displaystyle v_{0}=c/n} , onde ${\displaystyle c}$ é a velocidade da luz e ${\displaystyle n}$ é o índice de refração do meio) observando a presença ou ausência de emissão de luz Cherenkov. Com o conhecimento do momento da partícula, torna-se possível diferenciar as partículas mais leves que um determinado limite daquelas que o excedem.

O detector de imagem em anel Cherenkov (RICH), desenvolvido na década de 1980, representa o tipo de detector mais sofisticado. Num detector RICH, uma partícula carregada em alta velocidade que atravessa um meio adequado, muitas vezes denominado radiador, gera um cone de luz Cherenkov. Este cone de luz é posteriormente detectado por um detector de fótons planares sensível à posição, permitindo a reconstrução de um anel ou disco cujo raio se correlaciona diretamente com o ângulo de emissão de Cherenkov. Ambas as configurações de foco e foco de proximidade são atualmente empregadas. Dentro de um detector RICH com foco, os fótons são coletados por um espelho esférico e direcionados para um detector de fótons situado no plano focal. Esta configuração produz uma imagem circular com um raio que permanece invariante independentemente do ponto de emissão ao longo da trajetória da partícula. Este projeto é particularmente adequado para radiadores de baixo índice de refração, como gases, devido ao comprimento estendido do radiador necessário para gerar um rendimento de fótons suficiente. Por outro lado, no design mais compacto de foco de proximidade, um fino volume de radiador emite um cone de luz Cherenkov que se propaga por uma curta distância – conhecida como lacuna de proximidade – antes de ser detectado pelo plano detector de fótons. A imagem resultante é um anel de luz, com seu raio determinado tanto pelo ângulo de emissão de Cherenkov quanto pela lacuna de proximidade. A espessura do anel depende da espessura do radiador. Por exemplo, o Detector de Identificação de Partículas de Alto Momento (HMPID), atualmente em construção para ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — um dos seis experimentos no Large Hadron Collider (LHC) no CERN — exemplifica um detector RICH de lacuna de proximidade.

Radiação Askaryana, um fenômeno comparável gerado por partículas sem carga em movimento rápido.

• Radiação Askaryana, radiação semelhante produzida por partículas rápidas e sem carga
• Ruído azul
• Bremsstrahlung refere-se à radiação eletromagnética gerada quando partículas carregadas sofrem desaceleração devido à influência de outras partículas carregadas.
• Mais rápido que a luz descreve a transmissão hipotética de informação ou matéria a velocidades que excedem a velocidade da luz.
• A fórmula de Frank-Tamm fornece a distribuição espectral da radiação Cherenkov.
• Eco de luz.
• Uma lista abrangente de fontes de luz.
• Condição sem radiação.
• Radioluminescência.
• Táquion.
• Radiação de transição.

Fontes

Inicialização do reator nuclear.

• Iniciação do Reator Nuclear no YouTube
• Inicialização do reator nuclear (link alternativo).