L'effet Vavilov-Cherenkov: que faut-il savoir?

Dans les films de science-fiction, les réacteurs nucléaireset les matières nucléaires brillent toujours en bleu. Par exemple, dans le premier film Iron Man, le personnage de Tony Stark de Robert Downey Jr. assemble un petit réacteur nucléaire qui alimente la combinaison. Fait intéressant, la lueur bleue caractéristique émanant du réacteur (qu'elle soit réelle) est un phénomène réel appelé effet Vavilov-Cherenkov. C'est à cause de lui que l'eau entourant les réacteurs nucléaires brille vraiment en bleu vif. Cette lueur a été remarquée pour la première fois par le physicien Sergei Vavilov et son étudiant diplômé Pavel Cherenkov dans le laboratoire de l'Institut de physique et de mathématiques en 1933, lorsqu'ils ont vu qu'une bouteille d'eau, exposée aux radiations, brillait en bleu. En 1958, pour cette découverte, Tcherenkov a reçu le prix Nobel de physique, le partageant avec Ilya Frank et Igor Tamm, qui ont confirmé expérimentalement l'existence de l'effet. Bien qu'il n'ait été possible d'expliquer le rayonnement Vavilov-Cherenkov qu'après qu'Albert Einstein ait publié la théorie spéciale de la relativité, son existence a été prédite par le polymathe anglais Oliver Heaviside en 1888.

Lorsque certaines particules, par exemple les particules cosmiques, se déplacent plus rapidement que la vitesse de la lumière dans un certain milieu, un rayonnement Vavilov-Cherenkov apparaît.

Qu'est-ce que le rayonnement Vavilov-Cherenkov?

Il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière dans le vide.Mais lorsqu'une particule élémentaire est dans un milieu dense, elle peut dépasser cette limite. Ainsi, une particule accélérée dans le vide peut voler dans l'eau à une vitesse de, par exemple, 299 799 kilomètres par seconde: puisque les lois de la physique interdisent un changement instantané de vitesse, une particule, étant dans un milieu, vole à une certaine distance plus vite que la limite locale. Pendant le vol, la particule ralentit en perdant de l'énergie, qui doit aller quelque part.

Comme l'écrit Tass dans un article sur le NobelPrix ​​de physique en 1958, lorsque la voiture freine, l'énergie cinétique entre dans le chauffage des freins, et les particules superluminales dégagent un excès sous forme de quanta de rayonnement, c'est-à-dire de lumière. L'une des caractéristiques du rayonnement Tchérenkov est qu'il se situe principalement dans le spectre ultraviolet continu et non en bleu vif.

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Fait intéressant, le rayonnement Tchérenkov est similaire àeffet de boom sonore. Par exemple, si un avion dans les airs se déplace plus lentement que la vitesse du son, alors la déviation de l'air autour des ailes de l'avion se produit en douceur. Cependant, si la vitesse de déplacement dépasse la vitesse moyenne du son, un changement soudain de pression se produit et des ondes de choc se propagent depuis l'aéronef dans un cône à la vitesse du son.

Vous avez probablement remarqué que le réacteur nucléaire de Tony Stark brille d'une lumière bleue.

Comment exactement le rayonnement apparaît, en détailvérifié par Vavilov, Cherenkov, Tamm et Frank. Depuis la mort de Vavilov en 1951, trois physiciens ont reçu le prix Nobel sept ans plus tard. Grâce à leur travail, vous pouvez aujourd'hui observer le rayonnement Vavilov-Cherenkov presque partout. Lorsque. à condition, bien sûr, que vous sachiez où chercher.

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Lumière bleue étrange

Lorsque le rayonnement Tchérenkov traverse l'eau,les particules chargées se déplacent plus vite que la lumière à travers ce milieu. Ainsi, la lumière que vous voyez a une fréquence plus élevée (ou une longueur d'onde plus courte) que la longueur d'onde normale. Dans la mesure où dans le rayonnement Tchérenkov, la lumière avec une courte longueur d'onde prédomine, la lueur semble être bleue... C'est parce que le mouvement rapidela particule chargée excite les électrons des molécules d'eau, qui absorbent l'énergie et la libèrent sous forme de photons de lumière, retournant à l'équilibre. Habituellement, certains de ces photons s'annulent (interférence destructive) de sorte que la lueur n'est pas visible. Mais lorsqu'une particule se déplace plus vite que la lumière ne peut traverser l'eau, l'onde de choc crée une interférence constructive, que nous considérons comme une lueur.

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Le spectre de rayonnement Tchérenkov est continu et son intensité augmente avec la fréquence; c'est ce qui lui donne le bleu étrange que l'on voit sur les photos de réacteurs de piscine.

Heureusement, le rayonnement Vavilov-Cherenkov peut êtreutilisez-le non seulement pour faire briller l'eau du laboratoire nucléaire en bleu. Par exemple, dans un réacteur de type piscine, la quantité de lueur bleue peut être utilisée pour mesurer la radioactivité des barres de combustible usé. Le rayonnement est utilisé dans les expériences de physique des particules - les physiciens espèrent qu'il les aidera à déterminer la nature des particules étudiées.

De plus, le rayonnement Tchérenkov survient lorsqueLorsque les rayons cosmiques et les particules chargées interagissent avec l'atmosphère terrestre, des détecteurs sont utilisés pour mesurer ces phénomènes, détecter les neutrinos et étudier les objets astronomiques émettant des rayons gamma tels que les restes de supernovae.

Dans cet article, j'ai expliqué pourquoi le prix Nobel de physique a été décerné en 2020 et pourquoi les scientifiques pensent que d'autres univers existaient avant le Big Bang.

Fait intéressant, si le relativiste chargédes particules frappent le corps vitré de l'œil humain, vous pouvez alors voir des éclairs de rayonnement Tchérenkov, par exemple, à la suite d'une exposition à des rayons cosmiques ou à la suite d'un accident nucléaire, il est donc probablement préférable de s'abstenir.