Effet Tcherenkov
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Radiation Tcherenkov provenant de l'intérieur du cœur du réacteur nucléaire Triga
Radiation Tcherenkov provenant de l'intérieur du cœur du réacteur nucléaire Triga

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L'effet Tcherenkov (L'effet Tcherenkov est un phénomène similaire à une onde de choc, produisant un flash de lumière, et, qui a lieu lorsqu’une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de la...) est un phénomène similaire à une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors souvent...), produisant un flash de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...), et, qui a lieu lorsqu’une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse (On distingue :) supérieure à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante...) du milieu.

C'est cet effet qui provoque la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) bleue de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) entourant le cœur d'un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature, comme dans le seul cas connu du Réacteur...).

Explication du phénomène

Dans un milieu matériel, la lumière se déplace à une vitesse c1 inférieure à c[1] .

Soit un milieu matériel transparent d'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme...) n. La vitesse de la lumière dans ce milieu vaut c1=c/n. (par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) de l'indice de réfraction). Soit une particule chargée qui se déplace, dans le milieu matériel considéré, à une vitesse v supérieure à c1. Cela est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait envisageable pour des particules très légères et très énergétiques. La particule chargée interagit tout au long de sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) avec le milieu qu'elle traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules circulant...). En effet, elle perturbe temporairement la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du...) des couches électroniques des atomes rencontrés, ce qui provoque une émission radiative. Ainsi, chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) rencontré par la particule devient successivement émetteur d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) au passage de la particule. Cette émission est donc provoquée à la vitesse v. Or l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) émise se propage à une vitesse c1 inférieure à v. L'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène...) de chacune des ondes émises par chaque atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) perturbé est alors constructive. Un front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) cohérent apparaît sous la forme d'un cône de lumière. La fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) de cette onde constructive correspond généralement, pour l'effet Tcherenkov dans l'eau, à celle du bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus sombre...) ou de l'ultra-violet.

L’analogie entre l’effet Tcherenkov et l'onde de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) est facile à faire. Un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe...) se déplaçant plus vite que le son dans l’air crée une onde de choc sur laquelle toutes les ondes sonores se retrouvent. La correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le terme désigne des échanges de courrier personnels plutôt qu'administratifs.) avec l’effet Tcherenkov se fait en remplaçant l’avion assimilé à un point (Graphie) par une particule chargée et le son par la lumière. Nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de Mach fournit un schéma qui est directement applicable ici.

Historique

L’effet Tcherenkov est un exemple d’observation d’un phénomène physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) simple et menant à des applications remarquables. Il était connu depuis les travaux de Marie Curie (Maria Sk?odowska-Curie (née à Varsovie le 7 novembre 1867 et décédée à Sancellemoz le 4 juillet 1934), connue en France sous le nom de Marie Curie, est une physicienne polonaise naturalisée...) de 1910 que l'eau soumise à une source radioactive produisait de la lumière. Jusqu'en 1926, l'explication admise était la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à...) produite par des solutés. Mais entre 1926 et 1929, Lucien Mallet analysant plus profondément la question remarqua que le spectre lumineux produit était continu, alors que la fluorescence donne un spectre discret.

En outre, entre 1934 et 1937, Pavel Tcherenkov a prouvé que la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) produite est indépendante de la composition du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), ce qui était en désaccord avec la théorie de la fluorescence.

Les recherches de Tcherenkov établissaient les propriétés générales de la radiation. Cependant, une description mathématique de l’effet était toujours absente. C’est là qu’interviennent les deux collègues et co-lauréats du prix Nobel de 1958, Il'ja Frank et Igor Tamm : ils ont donné une explication mathématique rigoureuse et simple. L'effet Tcherenkov est produit par l'effet Compton, provoqué par les rayons gamma dus à la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène...), sur les électrons du milieu.

L’effet Tcherenkov joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche...) un rôle capital dans la physique contemporaine. Il intervient dans la détection des particules (Observatoire de neutrinos de Sudbury, Antarctic Muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus...) and Neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) Detector Array, Super Kamiokande) ou encore dans les accélérateurs de particules. Cette méthode est particulièrement simple et requiert très peu d’information pour pouvoir déduire la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) et la vitesse d’une particule. C’est pourquoi on la retrouve dans toutes les installations de physique subatomique.

Effet Tcherenkov dans l'espace

Les astronautes des missions Apollo s'étaient tous plaints de phosphènes lors de leurs missions. On découvrit que ces troubles visuels lumineux étaient dues à l'effet Tcherenkov de particules du vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on...) à l'intérieur du liquide oculaire (Un oculaire est un système optique complémentaire de l'objectif. Il est utilisé dans les instruments tels que les microscopes ou les télescopes pour agrandir...) des astronautes.

Notes et références

  1. vitesse de la lumière dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), c = 299 792 458 mètres par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...)
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