«Anche noi siamo fatti della materia di cui sono fatti i sogni e la nostra breve vita è circondata da un sonno.»
L’effetto Cerenkov 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.
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 è una costante universale e non può essere
superata). 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.
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, emettono un breve impulso di radiazione
elettromagnetica. Lo spettro di emissione Cerenkov
è continuo e 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 è più intensa.
Questa è la causa dell’intenso colore
blue della luce. In realtà, la maggiore parte della radiazione Cerenkov è nella
regione ultravioletta.
Qui di seguito è riportato il discorso di presentazione del Professor Kai Siegbahn, membro dell'Accademia svedese delle scienze, alla consegna del Premio Nobel per la Fisica nel 1958 a Pavel Cerenkov, Il´ja Frank e Igor Tamm "Per la scoperta e l’interpretazione dell’effetto Cerenkov".
Siegbahn ottenne a sua volta il Premio
Nobel per la Fisica nel 1981 con la motivazione: “Per il suo contributo allo
sviluppo della spettroscopia elettronica ad alta risoluzione”.
Vostre Maestà, Vostre Altezze Reali,
Signore e Signori.
La scoperta del fenomeno noto come effetto Cerenkov, per
il quale fu assegnato il Premio Nobel, è un interessante esempio di come
un'osservazione fisica relativamente semplice, se seguita nel modo giusto,
possa portare a scoperte importanti e aprire nuovi percorsi di ricerca.
Tra gli studenti dell'Istituto Lebedev di Mosca
all'inizio degli anni Trenta c'era Pavel Cerenkov. Il compito
assegnatogli dal suo insegnante, il professor Vavilov, per il suo lavoro di
tesi, era quello di studiare cosa succede quando la radiazione proveniente da
una sorgente di radio penetra e viene assorbita in diversi fluidi. Lo stesso
problema aveva senza dubbio preoccupato molti scienziati prima di questo
giovane dottorando e molti avevano anche osservato il debole bagliore bluastro
che emanava dal liquido quando la radiazione lo penetrava. Una menzione
speciale merita l'importante osservazione del francese Lucien Mallet. Il
bagliore bluastro è sempre stato considerato una manifestazione del noto
fenomeno della fluorescenza. Questo fenomeno viene utilizzato, ad esempio, dai
radiologi nei fluoroscopi a raggi X, dove i raggi X "invisibili"
possono colpire uno schermo fluorescente, che poi si illumina.
Cerenkov, tuttavia, non era convinto che il fenomeno
luminoso da lui osservato fosse effettivamente di tipo fluorescenza. Già i suoi
primi esperimenti indicavano che i suoi sospetti erano fondati. Scoprì, ad
esempio, che la radiazione era essenzialmente indipendente dalla composizione
del liquido. Ciò era in disaccordo con la spiegazione della fluorescenza.
Osservando la radiazione anche nell'acqua doppiamente distillata, eliminò la
possibilità che minuscole impurità diventassero fluorescenti nei liquidi.
Cerenkov fece della nuova radiazione sconosciuta oggetto
di un'indagine sistematica. Nel suo lavoro scoprì che la radiazione era
“polarizzata” lungo la direzione della radiazione incidente del radio e che
erano gli elettroni secondari veloci, prodotti da quest'ultima, ad essere la
causa primaria della radiazione visibile. Ciò è stato verificato irradiando i
liquidi con i soli elettroni provenienti da una sorgente di radio.
Le ricerche che Cerenkov pubblicò sui periodici russi tra
il 1934 e il 1937 stabilirono essenzialmente le proprietà generali della
radiazione appena scoperta. Tuttavia, mancava ancora una descrizione matematica
dell’effetto. Qui entrano in gioco due colleghi di Cerenkov a Mosca. Come può
un elettrone veloce, attraversando un liquido, dare origine a una radiazione
con le proprietà osservate da Cerenkov? All'inizio il fenomeno sembrava
difficile da comprendere, ma nel lavoro di Frank e Tamm (1937) fu
data una spiegazione che oltre ad essere semplice e chiara, soddisfaceva anche
i requisiti di rigore matematico.
Il fenomeno può essere paragonato all'onda di prua di
un'imbarcazione che si muove nell'acqua con una velocità superiore a quella
delle onde. Questo è, per inciso, un semplice esperimento che chiunque può
fare. Per prima cosa si lascia cadere un oggetto in una ciotola d'acqua e si
osserva la velocità di propagazione del fronte d'onda circolare. Quindi si
sposta l'oggetto lungo la superficie dell'acqua molto lentamente all'inizio, ma
aumentando gradualmente la velocità. Quando quest'ultima supera la velocità
dell'onda precedentemente osservata, si forma un'onda ad arco che si estende
obliquamente all'indietro nel modo ben noto.
La velocità dell'onda sulla superficie dell'acqua è
ovviamente bassa e quindi in questo caso è facile produrre l'onda di prua.
Nell’aria un fenomeno analogo si verifica quando un aereo a reazione supera la
cosiddetta barriera del suono a circa 1.000 km/h, cioè quando la
velocità del getto supera la velocità di propagazione delle onde sonore. Questo
è accompagnato da un botto.
La condizione richiesta per formare la corrispondente
onda dell'arco di Cerenkov della luce ordinaria quando una particella carica,
ad es. un elettrone attraversa un mezzo è, analogamente, che la particella si
muove con una velocità maggiore di quella della luce nel mezzo. Inizialmente si
potrebbe pensare che ciò sia impossibile, poiché secondo la teoria della
relatività di Einstein la velocità della luce è la massima velocità
possibile. Questo è di per sé corretto, ma la velocità a cui fa riferimento la
teoria di Einstein è la velocità della luce nello spazio vuoto o nel
vuoto. In un mezzo, ad es. un liquido o un solido trasparente, la velocità
della luce è inferiore a quella del vuoto e inoltre varia con la lunghezza
d'onda. Questo fatto è ben noto dagli esperimenti scolastici sulla rifrazione
della luce in un prisma. In un mezzo del genere è quindi del tutto possibile
che un elettrone ultraveloce, emesso da una sorgente radioattiva, si muova con
una velocità maggiore di quella della luce nel mezzo. In questo caso si forma
un'onda ad arco di Cerenkov e il liquido si illumina con la brillante magia blu
della corsa frenetica degli elettroni con la luce distante.
Uno spettacolo bellissimo si ha guardando dall'alto in un
reattore di uranio contenente acqua; un cosiddetto reattore a piscina. L'intero
nucleo è illuminato dalla luce blu di Cerenkov e in questa luce si può
persino fotografare l'interno del reattore.
Negli studi di successo su nuove particelle elementari
intrapresi negli ultimi anni, ad es. Con la scoperta nel 1955 dell'antiprotone,
l'effetto Cerenkov ha giocato un ruolo decisivo. Basandosi su questo effetto è
stato progettato uno strumento in grado di registrare il passaggio delle
singole particelle. Solo a condizione che la particella abbia una velocità
sufficientemente elevata verrà registrata dallo strumento che, allo stesso
tempo, potrà misurarne la velocità. Per la determinazione della velocità, che
può essere effettuata con notevole precisione, si sfrutta il fatto che l'angolo
dell'onda ad arco dipende dalla velocità delle particelle. Più velocemente si
muove la particella, minore sarà l'angolo tra di loro. Ciò è facilmente
comprensibile dall'esempio con la nave in acqua. Questo nuovo tipo di
rilevatore di radiazioni porta il nome di Cerenkov ed è ora uno degli strumenti
più importanti nei grandi laboratori atomici, dove le particelle elementari
vengono accelerate a velocità estremamente elevate.
La scoperta di Cerenkov, Frank e Tamm,
avvenuta circa vent'anni fa, ha quindi trovato negli ultimi anni
un'applicazione di decisiva importanza nello studio della struttura
fondamentale e della natura della materia.
Il professor Cerenkov, il professor Frank, l'accademico
Tamm. L'Accademia reale svedese delle scienze vi ha assegnato il Premio Nobel
per la fisica per la scoperta e la spiegazione dell'effetto che ora porta il
nome di uno di voi. Questa scoperta non solo getta luce su un fenomeno fisico
finora sconosciuto, ma fornisce anche un nuovo ed efficace strumento per lo
studio dell'atomo.
Mi congratulo di cuore con voi a nome dell'Accademia e vi
chiedo di accettare il premio dalle mani di Sua Maestà il Re.
Cherenkov
Radiation: Sonic Boom For Light? Beautiful
Phenomenon! — Steemit
Cherenkov Telescope Array - Wikipedia
T17FIS501MC: NEMO: A caccia di neutrini negli
abissi | spark (liceodesio.edu.it)
Pavel A.
Cherenkov - Facts (nobelprize.org)
