Zakaj voda v jedrskem reaktorju sveti modro

V znanstvenofantastičnih filmih vedno znova žarijo jedrski reaktorji in jedrski materiali. Medtem ko filmi uporabljajo posebne učinke, sijaj temelji na znanstvenih dejstvih. Na primer, voda, ki obdaja jedrske reaktorje, dejansko sveti svetlo modro! Kako deluje? To je posledica pojava, imenovanega Čerenkovo ​​sevanje.

Kaj je Čerenkovo ​​sevanje? V bistvu je kot zvočni bum, razen s svetlobo namesto zvoka. Čerenkovo ​​sevanje je opredeljeno kot elektromagnetnega sevanja oddaja, ko se nabito delce giblje skozi dielektrični medij hitreje od hitrosti svetlobe v mediju. Učinek se imenuje tudi Vavilov-Čerenkovo ​​sevanje ali Cerenkovo ​​sevanje.

Poimenovana je po sovjetskem fiziku Pavlu Aleksejeviču Čerenkovu, ki je leta 1958 prejel Nobelovo nagrado za fiziko skupaj z Ilijo Frankom in Igorjem Tammom za eksperimentalno potrditev učinka. Čerenkov je učinek prvič opazil leta 1934, ko steklenica vode izpostavljeni sevanju, ki je zasijala z modro svetlobo. Čeprav je bil opažen do 20. stoletja in ni pojasnjen, dokler ni Einstein predlagal svoje teorije posebnosti relativnost, čerenkovo ​​sevanje je angleški polimat Oliver Heaviside predvidel kot teoretično mogoče leta 1888.

Hitrost svetlobe v vakuumu v konstanto (c), vendar je hitrost, s katero svetloba potuje skozi medij manj kot c, zato lahko delci potujejo skozi medij hitreje kot svetloba, vendar še počasneje kot hitrost svetlobe. Običajno je zadevni delec elektron. Ko energijski elektron prehaja skozi dielektrični medij, se elektromagnetno polje moti in električno polarizira. Medij lahko reagira le tako hitro, tako da zaradi delca ostane motnja ali skladen udarni valovanje. Ena zanimivost sevanja Čerenkov je, da je večinoma v ultravijoličnem spektru, ne svetlo modra, vendar tvori neprekinjeni spekter (za razliko od emisijskih spektrov, ki imajo spektralne vrhovi).

Ko Čerenkovo ​​sevanje prehaja skozi vodo, nabiti delci potujejo hitreje kot svetloba skozi ta medij. Torej ima svetloba, ki jo vidite, višjo frekvenco (ali krajšo valovno dolžino) kot običajna valovna dolžina. Ker je več svetlobe s kratko valovno dolžino, je svetloba modra. Ampak, zakaj sploh obstaja luč? To je zato, ker hitro premikajoči se nabiti delci vzbudijo elektrone molekul vode. Ti elektroni absorbirajo energijo in jo sprostijo kot fotone (svetlobo), ko se vrnejo v ravnovesje. Običajno bi se nekateri od teh fotonov medsebojno odpovedali (uničevalna interferenca), da ne bi videli žara. Ko pa delci potujejo hitreje, kot lahko svetloba potuje po vodi, udarni val ustvari konstruktivne motnje, ki jih vidite kot sijaj.

Čerenkovo ​​sevanje je dobro za več kot samo, da vaš vodni žarek postane moder v jedrskem laboratoriju. V reaktorju z bazenom lahko količino modrega sijaja uporabimo za merjenje radioaktivnosti palic za izrabljeno gorivo. Sevanje se uporablja v poskusih fizike delcev, da pomaga prepoznati naravo delcev, ki jih pregledujemo. Uporablja se pri medicinskem slikanju in za označevanje in sledenje bioloških molekul, da bi bolje razumeli kemijske poti. Čerenkovo ​​sevanje nastaja, ko kozmični žarki in nabiti delci medsebojno delujejo z Zemljino atmosfero, zato so detektorji uporablja za merjenje teh pojavov, za odkrivanje nevtrinov in za proučevanje astronomskih predmetov, ki oddajajo gama žarke, kot je supernova ostanki.

• Čerenkovo ​​sevanje se lahko pojavi v vakuumu, ne le v mediju, kot je voda. V vakuumu se fazna hitrost vala zmanjša, vendar hitrost nabitih delcev ostane bližja (še manj kot) hitrosti svetlobe. To ima praktično uporabo, saj se uporablja za proizvodnjo mikrovalov velike moči.
• Če relativistični nabiti delci zadenejo v steklast humor človeškega očesa, se lahko pojavijo utripi Čerenkovega sevanja. To se lahko zgodi zaradi izpostavljenosti kozmičnim žarkom ali v nesreči jedrske kritičnosti.