Zašto voda u nuklearnom reaktoru svijetli plavo

U filmovima znanstvene fantastike nuklearni reaktori i nuklearni materijali uvijek blistaju. Dok filmovi koriste posebne efekte, sjaj se temelji na znanstvenoj činjenici. Na primjer, voda koja okružuje nuklearne reaktore zapravo svijetli jarko plavu! Kako radi? To je zbog fenomena koji se zove Cherenkov Zračenje.

Što je Cherenkov zračenje? U osnovi, to je poput zvučnog buma, osim sa svjetlošću umjesto zvuka. Čerenkovo ​​zračenje je definirano kao elektromagnetskog zračenja emitira kada se nabijena čestica kreće dielektričnim medijem brže od brzine svjetlosti u mediju. Učinak se naziva i Vavilov-Čerenkovim zračenjem ili Cerenkovim zračenjem.

Ime je dobio po sovjetskom fizičaru Pavlu Aleksejeviču Čerenkovu, koji je 1958. dobio Nobelovu nagradu za fiziku, zajedno s Ilyom Frankom i Igorom Tammom, za eksperimentalnu potvrdu učinka. Cherenkov je učinak prvi put primijetio 1934, kada boca vode izloženi zračenju blistavom plavom svjetlošću. Iako nije promatrano do 20. stoljeća i nije objašnjeno sve dok Einstein nije predložio svoju posebnu teoriju relativnost, čerenkovsko zračenje engleski je polimat Oliver Heaviside predvidio kao teoretski moguće 1888. god.

Brzina svjetlosti u vakuumu u konstanti (c), ali je brzina kojom svjetlost putuje kroz medij manje od c, pa je moguće da čestice putuju kroz medij brže od svjetlosti, a ipak sporije nego brzina svjetlosti. Obično je predmetna čestica elektron. Kada energetski elektron prođe kroz dielektrični medij, elektromagnetsko polje je poremećeno i električno polarizirano. Medij može reagirati samo tako brzo, tako da postoji smetnja ili koherentan udarni val koji preostaje nakon čestica. Jedna zanimljiva karakteristika Cherenkovog zračenja je ta što je uglavnom u ultraljubičastom spektru, ne svijetloplava, a ipak stvara kontinuirani spektar (za razliku od emisionih spektra, koji imaju spektralni maksimumima).

Dok Čerenkovo ​​zračenje prolazi kroz vodu, nabijene čestice putuju brže nego što svjetlost može prolaziti kroz taj medij. Dakle, svjetlost koju vidite ima višu frekvenciju (ili kraću valnu dužinu) od uobičajene valne duljine. Budući da postoji više svjetla s kratkom valnom duljinom, svjetlost se pojavljuje plavo. Ali, zašto uopće postoji svjetlo? To je zato što brzo pokretna nabijena čestica pobuđuje elektrone molekula vode. Ti elektroni apsorbiraju energiju i oslobađaju je kao fotone (svjetlost) kad se vrate u ravnotežu. Neki od ovih fotona bi se obično poništavali (destruktivna interferencija) da ne biste vidjeli sjaj. Ali, kada čestica putuje brže nego što svjetlost može putovati kroz vodu, udarni val proizvodi konstruktivne smetnje koje vidite kao sjaj.

Čerenkovsko zračenje je dobro za više nego samo što vaš vodeni sjaj svijetli u nuklearnom laboratoriju. U reaktoru bazena, količina plavog sjaja može se koristiti za mjerenje radioaktivnosti šipki potrošenog goriva. Zračenje se koristi u eksperimentima fizike čestica kako bi se pomoglo identificirati prirodu čestica koje se ispituju. Koristi se u medicinskim slikama i za označavanje i traženje bioloških molekula kako bi se bolje razumjeli kemijski putevi. Čerenkovo ​​zračenje nastaje kada kozmičke zrake i nabijene čestice djeluju u atmosferi Zemlje, pa su detektori koristi se za mjerenje ovih pojava, za otkrivanje neutrina i za proučavanje astronomskih objekata koji emitiraju gama zrake, poput supernove ostaci.

• Čerenkovo ​​zračenje može se pojaviti u vakuumu, a ne samo u mediju poput vode. U vakuumu se fazna brzina vala smanjuje, ali brzina nabijenih čestica ostaje bliža (još manjoj) brzini svjetlosti. To ima praktičnu primjenu, jer se koristi za proizvodnju mikrovalova velike snage.
• Ako relativistički nabijene čestice udaraju u staklast humor ljudskog oka, mogu se vidjeti bljeskovi Cherenkovskog zračenja. To se može dogoditi nakon izlaganja kozmičkim zrakama ili nesreće s nuklearnom kritičnošću.