Effet Vavilov-Čerenkov

Effet Vavilov-Čerenkov au cœur de réacteur de recherche ATR

L'effet Vavilov-Čerenkov est un phénomène similaire à une onde de choc, produisant un flash de lumière qui a lieu lorsqu'une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu (il faut garder à l'esprit que la vitesse de la lumière dans le vide est toujours supérieure à celle de la particule).

C'est cet effet qui provoque la luminosité bleue de l'eau entourant le cœur d'un réacteur nucléaire.

Terminologie

L'effet Vavilov-Čerenkov est ainsi nommé d'après les physiciens russes Sergueï Vavilov et Pavel Čerenkov. Il est souvent nommé simplement effet Čerenkov, les travaux ayant été publiés sous le nom de Pavel Čerenkov uniquement, et parfois orthographié Tcherenkov (« à la française ») ou Cherenkov (en anglais). On rencontre également plus rarement l'appellation effet Mallet-Čerenkov ou Čerenkov-Mallet, particulièrement en radioprotection en France, le Français Lucien Mallet étant le premier à avoir travaillé sur le sujet — et contraint d'abandonner ses travaux faute de financement.

Explication du phénomène

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

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

Par définition de l'indice de réfraction, la vitesse de la lumière dans un milieu transparent d'indice n vaut c₁=c/n. Une particule chargée, censément très légère et énergétique, peut se déplacer dans ce milieu à une vitesse v supérieure à c₁. La particule chargée interagit, tout au long de sa trajectoire, avec le milieu qu'elle traverse en perturbant temporairement la polarisation des couches électroniques des atomes rencontrés, ce qui provoque une émission radiative. Chaque atome rencontré par la particule devient donc émetteur d'un rayonnement à son passage, émission provoquée à la vitesse v. Or l'onde émise se propage à la vitesse c₁ inférieure à v. L'interférence des ondes émises par chaque atome perturbé est alors constructive ; un front d'onde cohérent apparaît sous la forme d'un cône de lumière. La fréquence de cette onde constructive correspond généralement, pour l'effet Tcherenkov dans l'eau, à celle du bleu ou de l'ultraviolet.

L’analogie entre l’effet Tcherenkov et l'onde de choc est facile à faire. Un avion 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 avec l’effet Tcherenkov se fait en remplaçant l’avion assimilé à un point par une particule chargée et le son par la lumière. Le nombre de Mach fournit un schéma qui est directement applicable ici.

Historique

L’effet Tcherenkov était connu depuis les travaux de Marie Curie de 1910 montrant que l'eau soumise à une source radioactive produisait de la lumière. Jusqu'en 1926, l'explication admise était la fluorescence 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. Pour des besoins de recherche astrophysique, Albada et Borgman ont construit une source étalon basée sur cet effet, sans toutefois en déterminer quantitativement le rayonnement (A Standard Light-Source for Photoelectric Photometry Based on Cerenkov Radiation. Astrophysical Journal, vol. 132, p.511). En 1973, afin de pouvoir étalonner photométriquement les observations ultra-violettes - donc extra-atmosphériques - des objets célestes à bord des fusées et caméras réalisées au Laboratoire d'Astronomie Spatiale du C.N.R.S. (L.A.S.), une source à effet Tcherenkov à base de strontium 90 fut montée, étudiée par Hua: la distribution spectrale d'énergie du spectre continu a été mesurée pour la première fois, par comparaison avec le rayonnement du corps noir via des sources étalon secondaires (Hua, 1973, Astron. Astrophys., Vol. 27, p. 255 (1973)).

En outre, entre 1934 et 1937, Pavel Tcherenkov a prouvé que la radiation produite est indépendante de la composition du liquide, ce qui était en désaccord avec la théorie de la fluorescence.

Les recherches de Tcherenkov établissaient les propriétés générales de la radiation, mais ce sont Il'ja Frank et Igor Tamm qui décrirent cet effet de façon rigoureuse, en 1937, ce qui leur valu de partager avec Tcherenkov le prix Nobel de physique de 1958.

L’effet Tcherenkov joue un rôle capital dans la physique contemporaine. Il intervient dans la détection des particules (Observatoire de neutrinos de Sudbury, Antarctic Muon and Neutrino 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 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 dus à l'effet Tcherenkov de particules du vent solaire à l'intérieur du liquide oculaire des astronautes.

Dans son livre, Sonate au clair de terre, le spationaute français Jean-Loup Chrétien indique que de tels phosphènes se produisent sur Terre, au rythme d'un ou deux par année pour une personne moyenne. Dans la station Mir, Chrétien en a vu quelques uns par jour.

Notes et références

Voir aussi

• Nombre de Mach
• Onde de choc
• Observatoire de rayons cosmiques

Liens externes

• Thèse Aurélien Barrau au LPSC
• Super Kamiokande (anglais)
• Sudbury Neurino Observatory
• Antarctic Muon and Neutrino Detector Array (anglais)

• Portail de la physique