Premessa

L’effetto Čerenkov - conosciuto anche come radiazione Vavilov-Čerenkov - consiste nell’emissione di radiazione elettromagnetica provocata dall’attraversamento di un mezzo dielettrico da parte di una particella carica (quale un elettrone) che si muove a una velocità superiore a quella di propagazione della luce nel mezzo stesso.

A causa del campo elettrico della particella carica, le molecole del materiale attraversato si polarizzano. Quando ritornano allo stato inziale, se la velocità della particella carica è superiore a un valore di soglia, esse si scaricano emettendo un breve impulso di radiazione elettromagnetica nel visibile.

Si parla, più in generale, di radiazione Čerenkov quando il mezzo attraversato non è trasparente alla luce visibile.

Questo effetto deve il suo nome al fisico sovietico Pavel Alekseevič Čerenkov che ha ricevuto nel 1958 il premio Nobel per la fisica, grazie agli studi che nel 1934 lo condussero per primo a provare sperimentalmente l’esistenza di questa radiazione, prevista teoricamente dall’eclettico scienziato inglese Oliver Heaviside in una serie di articoli, basati sulla teoria di Maxwell, pubblicati negli anni 1888-1889.

Una teoria completa di questo effetto fu in seguito sviluppata da Igor Tamn e Ilya Frank – anch’essi insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1958 - nell’ambito della teoria della relatività speciale di Einstein.

Fisica del fenomeno

In un mezzo denso la velocità di propagazione della luce, v, è più bassa di quella nel vuoto, c (che per la teoria della relatività non può essere superata ed è una costante universale). La riduzione della velocità è legata all’indice di rifrazione, n, del mezzo stesso, assumendo il valore di v = c/n.

In un mezzo denso può, dunque, accadere che una particella superi la velocità di propagazione della luce nel mezzo stesso.

Quando tale particella è carica elettricamente si verifica l’effetto Čerenkov, ovvero l’emissione di radiazioni γ.

Una particella elettricamente carica, lungo la sua traiettoria induce dei momenti di dipolo (polarizzazione) temporanei negli atomi o molecole del mezzo che attraversa.

Quando la velocità è inferiore a quella della luce nel mezzo, i dipoli sono disposti simmetricamente intorno al cammino della particella. Ciò fa sì che quando le molecole eccitate ritornano alla configurazione iniziale le radiazioni emesse si elidono e non appare nessuna radiazione visibile.

Quando si supera la velocità della luce nel mezzo, la simmetria è rotta e il momento di dipolo risultante non è più nullo, cosicché si ha emissione di radiazione visibile.

In questo caso, la perturbazione generata si irradia come un’onda d’urto coerente.

Avviene, cioè, un fenomeno analogo a quello che si ha nell’aria quando un oggetto supera la velocità di propagazione del suono (il muro del suono): si forma un cono d’onda (il cono di Mach) che si irradia dal punto in cui il fenomeno è accaduto.

La radiazione elettromagnetica si allontana dal punto perturbato con un cono di semi apertura pari al cosiddetto angolo di Čerenkov, normalmente indicato con la lettera greca ϑ. Esso è calcolato con l’equazione:

cos ϑ = (1/n)∙(c/n) = 1 /(n∙β)

dove:

c è la velocità della luce nel vuoto,

v è la velocità della particella carica,

n è l’indice di rifrazione del mezzo,

β = v/c è il rapporto tra la velocità della particella e quella della luce nel vuoto (< 1).

Il massimo angolo di apertura si ha quando la particella si muove a una velocità prossima a quella della luce nel vuoto, cioè quando v ≈ c. In tal caso: cos ϑ_max ≈ (1/n).

Si ha emissione di radiazione Čerenkov solo se β > 1/n, valore che rappresenta la soglia perché il fenomeno si manifesti.

Perché la luce Čerenkov ha il tipico colore blu?

Lo spettro di emissione Čerenkov è continuo e non presenta i caratteristici picchi che ha per esempio lo spettro fluorescente. Nella regione del visibile, l’intensità relativa per unità di frequenza è approssimativamente proporzionale alla frequenza stessa. Ciò vuol dire che la radiazione di maggiore frequenza (minore lunghezza d’onda) è più intensa. Questo spostamento della maggiore intensità di emissione Čerenkov verso le frequenze più alte dello spettro visibile è la causa dell’intenso colore blue della luce. In realtà, la maggiore parte della radiazione Čerenkov è nella regione ultravioletta, regione alla quale l’occhio umano è poco sensibile.

Utilizzo del fenomeno

Il rilevamento della radiazione Čerenkov è sfruttato nell’astronomia delle sorgenti gamma e negli esperimenti condotti sui neutrini. Essa consente, infatti, di rilevare i muoni prodotti in acqua i quali, essendo negativamente carichi e viaggiando in acqua a velocità superiore a quella della luce, causano l’emissione di radiazione Čerenkov. Quando i raggi cosmici o fotoni di elevata energia (TeV) colpiscono l’atmosfera terrestre si può avere la produzione di coppie di elettroni e positroni ad alta velocità. La radiazione Čerenkov generata da queste particelle permette di determinare direzione e intensità della sorgente dei raggi cosmici che l’hanno provocata. Si usano a questo proposito i telescopi Čerenkov. Questa tecnica prende il nome inglese di Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT). Essa è impiegata in esperimenti quali VERITAS, H.E.S.S, MAGIC e HAWC. Come detto sopra, lo stesso principio è sfruttato nei rivelatori di neutrini come Super-Kamiokande, l’Osservatorio di Neutrini di Sudbury (SNO) e IceCube.

La radiazione Čerenkov è comunemente usata in esperimenti di fisica delle particelle per la loro identificazione. Il più semplice dispositivo di identificazione di particelle basato sulla tecnica della luce Čerenkov è il contatore di soglia che segnala se la velocità di una particella carica è inferiore o superiore a un determinato valore di soglia semplicemente osservando l’emissione di luce Čerenkov. Se è nota la quantità di moto della particella, è possibile discriminare le particelle che hanno velocità al di sotto e al di sopra della soglia. Il rivelatore più avanzato è il RICH, acronimo di rivelatore Ring-Imaging Čerenkov, sviluppato negli anni 1980. Un esempio di rivelatore RICH è l’HMPID (High Momentum Particle Identification Detector), un rivelatore in costruzione per l’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno dei sei esperimenti in corso con l’LHC (Large Hadron Collider) al CERN.

Nei reattori a fissione l’intensità della radiazione Čerenkov offre un’indicazione del livello di attività del reattore essendo correlata alla frequenza degli eventi di fissione. Durante il decadimento dei prodotti di fissione sono emesse particelle beta (elettroni di alta energia) che producono il fenomeno della caratteristica luce blu tipica dei reattori ad acqua. L’emissione di luce continua anche dopo che le reazioni a catena sono cessate, affievolendosi progressivamente col decadimento dei prodotti a vita più breve. L’effetto Čerenkov è usato anche per valutare la radioattività residua presente nelle barre di combustibile esauste immagazzinate nella piscina di decadimento.

La radiazione Čerenkov è utilizzata anche in campo biologico per rintracciare piccole quantità e basse concentrazioni di biomolecole. Atomi radioattivi, quale il fosforo 3, sono introdotti nelle biomolecole con procedimenti che sfruttano il trasporto enzimatico. L’emissione di radiazione rende semplice rintracciare successivamente questi atomi e seguirli nei percorsi di interazione con le molecole biologiche il che consente di valutare le costanti di affinità e i tassi di dissociazione.

Curiosità

Secondo l’edizione italiana di Wikipedia (https://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Čerenkov) l’effetto Čerenkov è stato utilizzato anche nella narrativa e nella filmografia fantascientifica.

Nel romanzo “Fanteria dello spazio” di Robert A. Heinlein si utilizza la propulsione Čerenkov per consentire alle astronavi di muoversi alla velocità della luce. Il “Čerenkov drive” è citato sei volte, tra cui nei seguenti casi:

<quote>

“…Even with Čerenkov drive, stars are far apart.”

“…you must return to base, even if the Čerenkov generators could still take you twice around the Galaxy.”

“…under Čerenkov drive she cranks Mike 400 or better—say Sol to Capella, forty six lightyears, in under six weeks.”

In Star Trek, le astronavi, che utilizzano la immaginaria propulsione a curvatura (warp drive), viaggiano a velocità iperluminale immerse in un tunnel di luce azzurrina causata dall’effetto Čerenkov. L’effetto Čerenkov è citato nelle pagine 81-83 dell’edizione "Spock’s World" di Diane Douane come segue:

<quote>

“No one paid much attention to the view out the windows while a ship was in warp. The other space in which Enterprise traveled at such times ...

... So they saw what not too many people have an opportunity to see—a starship decelerating hard from warp, the point of a silver spear piercing through from the far side of the darkness in a trailing storm-cone of rainbows, as Coromandel came out of warp in a splendor of Cherenkov radiation from the super relativistic particles she dragged into real-space with her...

... Coromandel accelerated away on impulse, then flung a cloak of spectrum-colored fire about herself, leaped away, and was gone from sight on the instant.”

Un effetto simile è visibile anche nell’animazione giapponese "Cowboy Bebop". Si rimanda a “Unkown simettries in physics of 3rd millennium” di Jose Luis Armenta in Google Books.

Nella serie di videogiochi "Mass Effect", il collasso del campo di forza mentre l’astronave viaggia a velocità iperluminale causerebbe effetti catastrofici con l’energia sprigionata sotto forma di letali radiazioni Čerenkov (si rimanda a https://intelligentgames.wordpress.com/2010/05/29/hard-science-why-i-love-mass-effect/).

L’edizione inglese di Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov_radiation) afferma che il colore blue del "Doctor Manhattan" in "Watchmen" può essere stato ispirato dalla radiazione Čerenkov (si rimanda al sito http://www.livescience.com/3356-watchmen-science-dr-manhattan.html).