De ce este apa albastră într-un reactor nuclear? Radiația Cherenkov

În filmele de ficțiune științifică, reactoarele nucleare și materialele nucleare strălucesc întotdeauna. În timp ce filmele folosesc efecte speciale, strălucirea se bazează pe fapt științific. De exemplu, apa care înconjoară reactoarele nucleare este de fapt albastru strălucitor! Cum functioneazã? Se datorează fenomenului numit Radiație Cherenkov.

Definiția radiațiilor Cherenkov

Ce este radiația Cherenkov? În esență, este ca un boom sonic, cu excepția luminii în loc de sunet. Radiația Cherenkov este definită drept radiația electromagnetică emisă atunci când o particulă încărcată se deplasează printr-un mediu dielectric mai rapid decât viteza luminii în mediu. Efectul se mai numește și radiație Vavilov-Cherenkov sau radiație Cerenkov.

Este numit după fizicianul sovietic Pavel Alekseyevich Cherenkov, care a primit Premiul Nobel pentru fizică din 1958, împreună cu Ilya Frank și Igor Tamm, pentru confirmarea experimentală a efectului. Cherenkov observase prima dată efectul în 1934, când o sticlă de apă expusă radiațiilor strălucea cu lumină albastră. Deși nu a fost observată până în secolul XX și nu a fost explicată până când Einstein a propus teoria sa despre relativitatea specială, radiația Cherenkov fusese prezisă de polimatul englez Oliver Heaviside cât se poate de teoretic în 1888.

Cum funcționează radiația Cherenkov

Viteza luminii într-un vid într-o constantă (c), totuși viteza cu care lumina călătorește printr-un mediu este mai mică decât c, astfel încât este posibil ca particulele să călătorească prin mediu mai repede decât lumina, dar încă mai lent decât viteza de ușoară. De obicei, particula în cauză este un electron. Când un electron energetic trece printr-un mediu dielectric, câmpul electromagnetic este perturbat și polarizat electric. Mediul nu poate reacționa atât de repede, totuși, astfel încât există o perturbare sau o undă de șoc coerentă rămasă în urma particulei. O caracteristică interesantă a radiațiilor din Cherenkov este că se află în mare parte în spectrul ultraviolet, nu albastru strălucitor, dar formează un spectru continuu (spre deosebire de spectrele de emisie, care au picuri spectrale).

De ce apa într-un reactor nuclear este albastră

Pe măsură ce radiația Cherenkov trece prin apă, particulele încărcate circulă mai repede decât poate lumina prin acel mediu. Deci, lumina pe care o vedeți are o frecvență mai mare (sau o lungime de undă mai scurtă) decât lungimea de undă obișnuită. Deoarece există mai multă lumină cu o lungime de undă scurtă, lumina apare albastru. Dar, de ce există lumină deloc? Se datorează faptului că particulele încărcate cu mișcare rapidă excită electronii moleculelor de apă. Acești electroni absorb energia și o eliberează sub formă de fotoni (lumină) pe măsură ce revin la echilibru. În mod obișnuit, unii dintre acești fotoni s-ar anula reciproc (interferențe distructive), astfel încât să nu vezi o strălucire. Dar, când particulele călătorește mai repede decât lumina poate călători prin apă, unda de șoc produce o interferență constructivă pe care o vedeți ca strălucire.

Utilizarea radiațiilor din Cherenkov

Radiația Cherenkov este bună pentru mai mult decât pentru a face ca apa să strălucească albastru într-un laborator nuclear. Într-un reactor tip pool, cantitatea de strălucire albastră poate fi utilizată pentru a măsura radioactivitatea tijelor de combustibil uzat. Radiația este folosită în experimentele de fizică a particulelor pentru a ajuta la identificarea naturii particulelor examinate. Este utilizat în imagistică medicală și pentru etichetarea și urmărirea moleculelor biologice pentru a înțelege mai bine căile chimice. Radiația Cherenkov este produsă când razele cosmice și particulele încărcate interacționează cu atmosfera Pământului, astfel încât detectoarele sunt folosite pentru a măsura aceste fenomene, pentru a detecta neutrinii și pentru a studia obiecte astronomice care emit radiații gamma, cum ar fi resturile de supernove.

Fapte amuzante despre radiațiile din Cherenkov

• Radiația Cherenkov poate apărea în vid, nu doar într-un mediu ca apa. În vid, viteza de fază a unei undă scade, însă viteza particulelor încărcate rămâne mai aproape de (totuși mai mică decât) viteza luminii. Aceasta are o aplicație practică, deoarece este folosită pentru producerea de microunde de mare putere.
• Dacă particulele relativiste încărcate lovesc umorul vitros al ochiului uman, pot fi observate sclipiri ale radiației Cherenkov. Acest lucru poate apărea din expunerea la razele cosmice sau într-un accident de criticitate nucleară.