thumb|250px|Radiação de Tcherenkov em um reator de pesquisas TRIGAthumb|250px|Radiação de Tcherenkov em um reator. A radiação de Tcherenkov (ou efeito 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.<ref> Reprinted in Selected Papers of Soviet Physicists, Usp. Fiz. Nauk 93 (1967) 385. V sbornike: Pavel Alekseyevich Čerenkov: Chelovek i Otkrytie pod redaktsiej A. N. Gorbunova i E. P. Čerenkovoj, M.,"Nauka, 1999, s. 149-153. (ref )</ref>
Ocorre uma onda de choque análoga à produzida por um avião supersônico ao quebrar a barreira do som. Esta onda de choque óptica leva a emissão de radiação eletromagnética. Este tipo de efeito é usado para a detecção de partículas com altas energias. Um vídeo foi divulgado recentemente pela Agência Internacional de Energia Nuclear.
Origem física Fundamentos Embora a velocidade da luz no vácuo seja uma constante universal (), 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 , para , 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.
Se , isto é, se a velocidade da partícula carregada for menor que a da velocidade da luz no meio, então o campo de polarização que se forma ao redor da partícula em movimento é geralmente simétrico. As frentes de onda emitidas correspondentes podem estar agrupadas, mas não coincidem nem se cruzam e, portanto, não há efeitos de interferência a considerar. Na situação inversa, ou seja, , o campo de polarização é assimétrico ao longo da direção do movimento da partícula, pois as partículas do meio não têm tempo suficiente para retornar aos seus estados aleatórios "normais". Isso resulta em ondas sobrepostas (como na animação) e a interferência construtiva leva a um sinal de luz em forma de cone observado em um ângulo característico: luz Cherenkov.
Uma analogia comum é o estrondo sônico de uma aeronave supersônica. As ondas de som geradas pela aeronave viajam à velocidade do som, que é mais lenta que a aeronave, e não podem se propagar para frente da aeronave, formando, em vez disso, uma frente de choque cônica. De maneira semelhante, uma partícula carregada pode gerar uma "onda de choque" de luz visível enquanto viaja através de um isolante.
A velocidade que deve ser excedida é a velocidade de fase da luz, em vez da velocidade de grupo da luz. A velocidade de fase pode ser alterada drasticamente usando um meio periódico e, nesse caso, pode-se até obter radiação Cherenkov com velocidade de partícula zero, um fenômeno conhecido como efeito Smith–Purcell. Em um meio periódico mais complexo, como um cristal fotônico, também se pode obter uma variedade de outros efeitos Cherenkov anômalos, como radiação em direção reversa (veja abaixo), enquanto a radiação Cherenkov comum forma um ângulo agudo com a velocidade da partícula.
Em seu trabalho original sobre os fundamentos teóricos da radiação Cherenkov, Tamm e Frank escreveram: "Esta radiação peculiar evidentemente não pode ser explicada por nenhum mecanismo comum, como a interação do elétron rápido com um átomo individual ou como o 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 movendo-se em um meio irradia luz mesmo se estiver se movendo uniformemente, desde que sua velocidade seja maior que a velocidade da luz no meio."
Ângulo de emissão
Na figura sobre a geometria, a partícula (seta vermelha) viaja em um meio com velocidade tal que
onde é a velocidade da luz no vácuo e é o índice de refração do meio. Se o meio for água, a condição é , pois para a água a 20 °C.
Definimos a razão entre a velocidade da partícula e a velocidade da luz como
As ondas de luz emitidas (denotadas por setas azuis) viajam à velocidade
O canto esquerdo do triângulo representa a localização da partícula superluminal em algum momento inicial (). O canto direito do triângulo é a localização da partícula em um momento posterior t. No tempo dado t, a partícula percorre a distância
enquanto as ondas eletromagnéticas emitidas estão restritas a percorrer a distância
Portanto, o ângulo de emissão resulta em
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 (), invertendo ou direcionando a emissão Cherenkov em ângulos arbitrários dados pela relação generalizada:
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 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 . Em tal sistema, este efeito pode ser derivado da conservação de energia e momento, onde o momento de um fóton deve ser ( é a constante de fase) em vez da relação de de Broglie . 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 são diferentes dos elétrons na estrutura em um tempo .
Tcherenkov coletivo 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.
Características O espectro de frequência da radiação Cherenkov por uma partícula é dado pela fórmula de Frank–Tamm:
A fórmula de Frank–Tamm descreve a quantidade de energia emitida pela radiação Cherenkov, por unidade de comprimento percorrido e por frequência . é a permeabilidade e é o índice de refração do material através do qual a partícula carregada se move. é a carga elétrica da partícula, é a velocidade da partícula e 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.
Existe uma frequência de corte acima da qual a equação não pode mais ser satisfeita. O índice de refração varia com a frequência (e, portanto, com o comprimento de onda) de tal forma que a intensidade não pode continuar a aumentar em comprimentos de onda cada vez menores, mesmo para partículas muito relativísticas (onde v/c é próximo de 1). Em frequências de Raios X, o índice de refração torna-se menor que 1 (note que, em meios, a velocidade de fase pode exceder c sem violar a relatividade) e, portanto, nenhuma emissão de raios X (ou emissões de comprimentos de onda mais curtos, como raios gama) seria observada. No entanto, os raios X podem ser gerados em frequências especiais logo abaixo das frequências correspondentes às transições eletrônicas centrais em um material, já que o índice de refração é frequentemente maior que 1 logo abaixo de uma frequência de ressonância (vide Relação de Kramers–Kronig e Dispersão anômala'').
Como nos estrondos sônicos e nas ondas de proa, o ângulo do cone de choque está diretamente relacionado à velocidade da perturbação. O ângulo de Cherenkov é zero na velocidade limiar para a emissão de radiação Cherenkov. O ângulo assume um valor máximo à medida que a velocidade da partícula se aproxima da velocidade da luz. Assim, os ângulos de incidência observados podem ser usados para calcular a direção e a velocidade de uma carga que produz radiação Cherenkov.
A radiação Cherenkov pode ser gerada no olho por partículas carregadas que atingem o humor vítreo, dando a impressão de flashes, como nos fenômenos visuais de raios cósmicos e, possivelmente, em algumas observações de acidentes de criticidade.
Usos
Detecção de biomoléculas marcadas