Dlaczego woda w reaktorze jądrowym świeci na niebiesko

W filmach science fiction reaktory jądrowe i materiały jądrowe zawsze świecą. Podczas gdy filmy wykorzystują efekty specjalne, blask opiera się na faktach naukowych. Na przykład woda otaczająca reaktory jądrowe faktycznie świeci na jasno niebieski! Jak to działa? Wynika to ze zjawiska zwanego promieniowaniem Czerenkowa.

Co to jest promieniowanie Czerenkowa? Zasadniczo jest to jak dźwiękowy boom, z wyjątkiem światła zamiast dźwięku. Promieniowanie Czerenkowa definiuje się jako promieniowanie elektromagnetyczne emitowane, gdy naładowana cząsteczka porusza się przez ośrodek dielektryczny szybciej niż prędkość światła w ośrodku. Efekt ten nazywany jest również promieniowaniem Wawiłowa-Czerenkowa lub promieniowaniem Cerenkowa.

Nazwa pochodzi od radzieckiego fizyka Pawła Aleksiejewicza Czerenkowa, który wraz z Ilyą Frank i Igorem Tammem otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1958 r. Za eksperymentalne potwierdzenie efektu. Czerenkow po raz pierwszy zauważył ten efekt w 1934 roku

Prędkość światła w próżni w stałej (c), ale prędkość, z jaką światło przemieszcza się przez medium, wynosi mniej niż c, więc cząsteczki mogą przemieszczać się przez medium szybciej niż światło, ale nadal wolniej niż prędkość światła. Zwykle cząstką, o której mowa, jest elektron. Gdy elektron energetyczny przechodzi przez ośrodek dielektryczny, pole elektromagnetyczne zostaje zakłócone i spolaryzowane elektrycznie. Medium może jednak reagować tak szybko, więc po cząsteczce pozostaje zakłócenie lub spójna fala uderzeniowa. Jedną z interesujących cech promieniowania Czerenkowa jest to, że głównie w widmie ultrafioletowym, a nie jasny niebieski, ale tworzy widmo ciągłe (w przeciwieństwie do widm emisyjnych, które mają spektralne szczyty).

Gdy promieniowanie Czerenkowa przechodzi przez wodę, naładowane cząstki przemieszczają się szybciej niż światło może przez to medium. Tak więc światło, które widzisz, ma wyższą częstotliwość (lub krótszą długość fali) niż zwykle długość fali. Ponieważ jest więcej światła o krótkiej długości fali, światło wydaje się niebieskie. Ale dlaczego w ogóle jest jakieś światło? Jest tak, ponieważ szybko poruszająca się naładowana cząstka wzbudza elektrony cząsteczek wody. Elektrony te pochłaniają energię i uwalniają ją jako fotony (światło), gdy wracają do równowagi. Zwykle niektóre z tych fotonów znoszą się nawzajem (destrukcyjne zakłócenia), więc nie widać blasku. Ale gdy cząsteczka porusza się szybciej niż światło może przemieszczać się w wodzie, fala uderzeniowa wytwarza konstruktywne zakłócenia, które widzisz jako blask.

Promieniowanie Czerenkowa jest dobre nie tylko do tego, że woda w laboratorium jądrowym świeci na niebiesko. W reaktorze typu basenowego niebieską poświatę można wykorzystać do pomiaru radioaktywności wypalonych prętów paliwowych. Promieniowanie jest wykorzystywane w eksperymentach z fizyką cząstek, aby pomóc zidentyfikować naturę badanych cząstek. Jest stosowany w obrazowaniu medycznym oraz do znakowania i śledzenia molekuł biologicznych w celu lepszego zrozumienia ścieżek chemicznych. Promieniowanie Czerenkowa powstaje, gdy promienie kosmiczne i naładowane cząsteczki oddziałują z ziemską atmosferą, tak jak detektory używany do pomiaru tych zjawisk, wykrywania neutrin i badania obiektów astronomicznych emitujących promieniowanie gamma, takich jak supernowa resztki

• Promieniowanie Czerenkowa może występować w próżni, a nie tylko w ośrodku takim jak woda. W próżni maleje prędkość fazowa fali, ale prędkość naładowanej cząstki pozostaje bliższa (ale mniejsza niż) prędkości światła. Ma to praktyczne zastosowanie, ponieważ służy do wytwarzania mikrofal o dużej mocy.
• Jeśli relatywistyczne naładowane cząsteczki uderzą w szklisty humor ludzkiego oka, mogą pojawić się błyski promieniowania Czerenkowa. Może się to zdarzyć w wyniku ekspozycji na promienie kosmiczne lub w wyniku wypadku o znaczeniu krytycznym.