sabato 19 settembre 2015

Particelle più veloci della luce: Effetto Cherenkov

 Ciao a tutti amanti della fisica!
Nell'articolo di oggi parleremo di un fenomeno tanto particolare
quanto difficile da osservare, che si verifica quando una particella viaggia più veloce della luce. Chiariamoci, in natura non conosciamo nulla che si muova più velocemente della luce nel vuoto, ma nulla impedisce ad un oggetto di superare la luce in velocità all'interno di un mezzo. Quando questo accade, si verifica una particolare emissione di luce azzurrina, che va sotto il nome di Effetto Cherenkov.

Osserviamo questo fenomeno quasi esclusivamente nei reattori delle centrali nucleari, in cui gli elettroni viaggiano a velocità elevatissime durante il processo di fissione. Prima di chiarire cosa avviene esattamente però è bene illustrare un paio concetti.

Un'analogia con gli aerei supersonici
Le circonferenze rappresentano le onde sonore emesse dall'aereo
  Per semplicità, parlando di effetto Cherenkov supporremo sempre di avere a che fare con particelle cariche elettricamente, e quindi in grado di irradiare onde elettromagnetiche. *(e quindi luce in determinate circostanze) Dato che le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità della luce (c), avremo un oggetto che si muove più rapidamente delle onde che irradia.

 Possiamo immaginare una particella che irradia come un oggetto molto rumoroso in movimento, un aereo ad esempio. L'analogia sta nel fatto che possiamo immaginare la luce come le onde sonore emesse da quest'oggetto: in condizioni normali entrambe si propagano in ogni direzione molto rapidamente rispetto al corpo che le ha emesse.
Tale comportamento è rappresentato graficamente qui accanto.


Questo avviene quando l'aereo rompe il muro del suono
 Tuttavia, alcuni aerei militari possono all'occorrenza accelerare fino a sfondare il muro del suono.
**(non si tratta di una metafora: quando questo avviene si forma un vero e proprio muro d'aria!)




 Intuitivamente quello che avviene è che le onde sonore che si trovano davanti all'aereo si fanno sempre più compresse, fino a formare una vera e propria barriera.












 Nel momento in cui l'aereo comincia a viaggiare più rapidamente delle onde sonore che emette, la rappresentazione grafica della nostra situazione cambia in questo modo:
Ovvero le onde sonore prodotte dall'aereo si propagano solo dietro di esso

Questo significa, ad esempio, che uno sventurato passeggero che si trovasse aggrappato all'esterno dell'aereo non potrebbe invocare aiuto. Qualunque suono emesso sull'aereo si propagherebbe solo dietro di esso, e non raggiungerebbe mai la cabina del pilota!
Una particella che irradia onde elettromagnetiche si comporta esattamente allo stesso modo: la sola differenza è data dalla velocità di propagazione delle onde, molto maggiore nel caso delle radiazioni elettromagnetiche.

Cosa succede alla luce?
  Ma di fatto cosa succede alla luce che si propaga in un mezzo? Qual è la differenza rispetto al suo comportamento nel vuoto? 

Qualche articolo fa abbiamo visto che in realtà la luce è composta da particelle, chiamate fotoni. Nel vuoto, in assenza di ostacoli, queste particelle si muovono a velocità c del tutto liberamente. Questo non avviene se invece inseriamo degli ostacoli sul cammino delle particelle; ostacoli che possono essere atomi o molecole, per esempio. In questo caso che succede? I singoli fotoni continuano a muoversi a velocità c, ma continuano a urtare e rimbalzare su questi intralci, cosicché la loro velocità complessiva risulta ridotta. Quello che si osserva nel complesso è quindi un raggio di luce che si propaga a velocità minore di c.

 A noi però non basta sapere che la luce si propaga più lentamente in un mezzo, vogliamo sapere esattamente a che velocità si muove. A questo scopo introduciamo una grandezza, detta indice di rifrazione e indicata con la lettera n. Tale indice varia a seconda del materiale e della frequenza dell'onda elettromagnetica in questione. Ha inoltre una particolarità: è sempre maggiore di 1, e vale 1 solamente nel vuoto.

  Concretamente, utilizzeremo quest'indice per stimare la velocità di propagazione della luce in un mezzo con indice di rifrazione n. Tale velocità vale semplicemente
 dove c rappresenta la velocità della luce nel vuoto. Dato che n è sempre maggiore di 1 risulterà che la luce si propaga sempre a velocità minore di c in un materiale. 

Ora, abbiamo diversi motivi per supporre che le particelle debbano viaggiare più lentamente della luce NEL VUOTO, ma nessun principio impedisce che queste si propaghino a velocità maggiore di c/n, se n è maggiore di 1. Ecco che allora viene spontaneo chiedersi cosa accade quando una particella supera questa velocità.

L'Effetto Cherenkov
  Come ho scritto poco fa, il comportamento di una particella a velocità iperluminale (più veloce della luce) non è molto diverso da quello di un aereo supersonico. 
Anche qui avviene inoltre un fatto insolito:
Un osservatore a cavallo della particella iperluminale potrebbe vedere solo ciò che ha davanti, dato che tutta la luce riflessa o emessa da ciò che ha dietro di sé si propaga più lentamente di quanto non faccia lui stesso. La luce proveniente da dietro non lo raggiungerà mai!

Un ultimo appunto prima di vedere direttamente questo magnifico effetto riguarda il motivo per cui la luce prodotta per effetto Cherenkov ci appare bluastra. Si dimostra con un po' di conti che l'intensità della luce emessa è proporzionale alla sua frequenza. In altre parole, la luce emessa sarà di tutti i colori possibili, ma i colori freddi, con frequenza maggiore, saranno più intensi di quelli caldi, con frequenza minore.
 
Si potrebbe pensare allora che la radiazione elettromagnetica emessa debba avere il massimo d'intensità nei raggi gamma, ovvero la radiazione con la frequenza massima. Ciò invece non avviene per il semplice fatto che l'indice di rifrazione è legato anche alla frequenza della radiazione, come accennato prima. In particolare, onde con frequenze maggiori saranno soggette a un indice di rifrazione molto vicino a 1, e quindi si propagheranno praticamente alla stessa velocità con cui viaggerebbero nel vuoto. Ciò significa che l'effetto Cherenkov non si verifica per frequenze maggiori di quella della luce blu. Potrebbe verificarsi se la particella in questione si muovesse ancora più veloce, ma non siamo in grado di accelerarla a tal punto.

Siamo allora pronti per apprezzare a pieno l'effetto Cherenkov guardando questo video, oppure semplicemente con l'immagine qui sotto.

Il colore blu è dovuto all'effetto Cherenkov


Grazie per aver letto fin qui,

Giulio






Immagini tratte da: 
giphy.com
www.rete5.tv
https://www.reddit.com/r/MachinePorn/comments/yc217/reed_research_reactor_with_cherenkov_radiation/

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