Atualização 2 de abril de 2022

Luz Cherenkov

Descrição da onda de choque e do cone de Mach

Antes de explicar o efeito Cherenkov, é necessário entender o fenômeno que cria a onda de choque produzida atrás de um avião que supera a velocidade do som (≈340 m/s).
Quando a velocidade do avião é inferior à velocidade do som, as ondas sonoras se propagam ao redor dele em todas as direções. Essas esferas concêntricas de pressão do ar aumentam seu raio em 340 metros a cada segundo, e o avião está sempre dentro do frente de onda. Assim, as ondas sonoras produzidas pelos choques das moléculas de ar se movem mais rápido que o avião e sua energia se dissipa lentamente com o quadrado da distância (i=p/4πr2).
No entanto, à medida que a velocidade do avião aumenta, as ondas à frente dele se aproximam e se comprimem cada vez mais, enquanto as ondas atrás se esticam. Esse efeito de dilatação e contração das frequências sonoras é a causa do efeito Doppler (o som dos objetos sonoros que se aproximam parece mais agudo!).
A intensidade das ondas sonoras pode se somar, assim como as alturas das ondas podem se somar quando se encontram. Enquanto o avião se move mais lentamente do que as ondas sonoras que cria, as ondas permanecem confinadas entre si sem que sua energia se some.

Mas quando o avião atinge a velocidade do som, enquanto gera novas ondas a partir de sua posição atual, as ondas que estão na mesma fase se reúnem, acumulam-se à sua frente e a pressão aumenta abruptamente, formando uma onda de choque. Então, a pressão diminui ao longo do avião para aumentar novamente abruptamente na cauda do avião. Essas duas sobrepressões provocam dois estrondos supersônicos tão próximos que nosso ouvido percebe apenas um. Esse estrondo não é ouvido pelos passageiros porque o choque de pressão situado atrás do avião não pode alcançá-lo. As ondas de choque se propagam então em um cone conhecido como o cone de Mach.
No momento em que a velocidade do avião ultrapassa Mach 1, ele atravessa instantaneamente a barreira de ar comprimido que se havia formado à sua frente, o que é conhecido como a barreira do som. A onda de choque produzida provoca variações bruscas na pressão e na temperatura do ar ao redor. Às vezes, a temperatura do ar cai abaixo do ponto de orvalho, fazendo com que o vapor de água contido no ar se condense em pequenas gotas formando uma nuvem que acompanha o avião em seu voo supersônico, como mostrado na foto anexa.

Explicação do Efeito Cherenkov

A luz Cherenkov, nomeada em homenagem ao físico russo Pavel Cherenkov (1904-1990), é um clarão de luz produzido por uma partícula carregada quando ela se move através de um meio material (como água ou ar) com uma velocidade superior à velocidade da luz nesse meio. A velocidade da luz no vácuo continua sendo sempre maior que esta.
A analogia entre o efeito Cherenkov e a onda de choque supersônica é fácil de imaginar.
Um avião que viaja mais rápido que o som no ar cria uma onda de choque na qual todas as ondas sonoras se encontram. A correspondência com o efeito Cherenkov é feita substituindo o avião por uma partícula carregada e o som pela luz.
Em um meio material como a água ou o ar, a luz se move a uma velocidade de c1 = c/n.
c = velocidade da luz no vácuo
n = índice de refração do meio, sempre > 1 (exemplos: ar=1.0003, água=1.333, fibra óptica=1.5, diamante=2.41)
Uma partícula carregada pode se mover nesse meio a uma velocidade v superior a c1, mas ainda menor que c, o que não contradiz a teoria da relatividade restrita.
O que explica essa emissão radiativa azul na água?
A partícula carregada interage ao longo de sua trajetória com o meio que atravessa. Durante sua jornada na água, ela perturba temporariamente os átomos encontrados. Em outras palavras, os elétrons se desviam de sua posição inicial e depois retornam ao seu lugar. Assim, cada átomo encontrado pela partícula libera a energia absorvida e se torna um emissor de radiação. Todas as ondas emitidas por cada um dos átomos se sobrepõem de maneira desordenada, têm fases diferentes, de modo que sua soma se cancela.

No entanto, a velocidade da partícula carregada na água, que pode ser comparada ao avião supersônico, é mais rápida do que a velocidade da onda emitida por cada átomo na água. Quando a partícula ultrapassa a velocidade da luz no meio, todas as ondas se alinham na mesma fase e, portanto, se somam construtivamente, assim como no caso da onda de choque supersônica. Esse fenômeno cria um frente de onda análogo à barreira do som no cone de Mach. Uma transição abrupta ocorre ao longo de toda a trajetória da partícula, aproximadamente 10 bilhões de vezes por metro. O efeito Cherenkov se manifesta ao longo do percurso pela emissão de uma onda luminosa em todos os comprimentos de onda, com predominância no azul e no ultravioleta.
Esses clarões explicam a luz azul das piscinas de resfriamento dos combustíveis usados nas usinas nucleares. Eles são causados pelos elétrons energéticos emitidos pela radioatividade que atingem velocidades superiores à da luz na água.
Detectores Cherenkov estão localizados em grandes tanques de água e são usados para detectar partículas de alta energia (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, Super-Kamiokande).
A luz Cherenkov também é utilizada na detecção de neutrinos produzidos em reações nucleares no núcleo do Sol (Sudbury Neutrino Observatory).
Os astronautas das missões Apollo se queixaram de ver fosfenos durante suas missões. Descobriu-se que essas perturbações visuais eram causadas pelo efeito Cherenkov. As partículas do vento solar que atravessam o líquido dos globos oculares produzem fosfenos. Esses fosfenos também ocorrem na Terra, com uma média de um ou dois por pessoa por ano.