Γιατί το νερό σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα ανάβει μπλε

Σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας, πυρηνικοί αντιδραστήρες και πυρηνικά υλικά πάντα λάμπουν. Ενώ οι ταινίες χρησιμοποιούν ειδικά εφέ, η λάμψη βασίζεται σε επιστημονικό γεγονός. Για παράδειγμα, το νερό που περιβάλλει πυρηνικούς αντιδραστήρες κάνει πραγματικά λάμψη φωτεινό μπλε! Πώς λειτουργεί; Λόγω του φαινομένου που ονομάζεται Ακτινοβολία Cherenkov.

Τι είναι η ακτινοβολία Cherenkov; Ουσιαστικά, είναι σαν μια ηχητική έκρηξη, εκτός από το φως αντί για τον ήχο. Η ακτινοβολία Cherenkov ορίζεται ως την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται διαμέσου ενός διηλεκτρικού μέσου ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός στο μέσο. Το φαινόμενο ονομάζεται επίσης ακτινοβολία Vavilov-Cherenkov ή ακτινοβολία Cerenkov.

Ονομάστηκε από τον σοβιετικό φυσικό Pavel Alekseyevich Cherenkov, ο οποίος έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1958 μαζί με τον Ilya Frank και τον Igor Tamm για πειραματική επιβεβαίωση του αποτελέσματος. Ο Cherenkov είχε αρχικά παρατηρήσει το αποτέλεσμα το 1934, όταν

Η ταχύτητα του φωτός σε κενό σε μια σταθερά (c), αλλά η ταχύτητα με την οποία το φως ταξιδεύει μέσα από ένα μέσο είναι λιγότερο από το c, έτσι είναι πιθανό τα σωματίδια να ταξιδεύουν μέσα από το μέσο ταχύτερα από το φως, αλλά ακόμα πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Συνήθως, το συγκεκριμένο σωματίδιο είναι ένα ηλεκτρόνιο. Όταν ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο περνά διαμέσου ενός διηλεκτρικού μέσου, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο διακόπτεται και ηλεκτρικά πολώνεται. Το μέσο μπορεί να αντιδράσει τόσο γρήγορα, όμως, έτσι υπάρχει μια διαταραχή ή συνεκτικό κύμα κρούσης που απομένει μετά από το σωματίδιο. Ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της ακτινοβολίας Cherenkov είναι ότι δεν είναι το μεγαλύτερο μέρος του υπεριώδους φάσματος φωτεινό μπλε, αλλά σχηματίζει ένα συνεχές φάσμα (σε αντίθεση με τα φάσματα εκπομπής, τα οποία έχουν φασματική κορυφές).

Καθώς η ακτινοβολία Cherenkov περνά μέσα από το νερό, τα φορτισμένα σωματίδια ταξιδεύουν γρηγορότερα από ό, τι το φως μπορεί μέσω αυτού του μέσου. Έτσι, το φως που βλέπετε έχει υψηλότερη συχνότητα (ή μικρότερο μήκος κύματος) από το κανονικό μήκος κύματος. Επειδή υπάρχει περισσότερος φωτισμός με μικρό μήκος κύματος, το φως εμφανίζεται μπλε. Αλλά, γιατί υπάρχει κάποιο φως; Είναι επειδή το ταχέως φορτισμένο φορτισμένο σωματίδιο διεγείρει τα ηλεκτρόνια των μορίων του νερού. Αυτά τα ηλεκτρόνια απορροφούν την ενέργεια και την απελευθερώνουν ως φωτόνια (φως) καθώς επιστρέφουν στην ισορροπία. Συνήθως, μερικά από αυτά τα φωτόνια θα ακυρώνονταν ο ένας τον άλλο (καταστρεπτική παρεμβολή), οπότε δεν θα δείτε μια λάμψη. Αλλά, όταν το σωματίδιο ταξιδεύει ταχύτερα από ό, τι μπορεί να ταξιδέψει το φως μέσα στο νερό, το κύμα κλονισμού δημιουργεί εποικοδομητική παρέμβαση που βλέπετε σαν λάμψη.

Η ακτινοβολία Cherenkov είναι καλό για κάτι περισσότερο από το να κάνεις το νερό σου να γίνει λάμψη σε πυρηνικό εργαστήριο. Σε έναν αντιδραστήρα τύπου πισίνας, η ποσότητα της κυανής λάμψης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της ραδιενέργειας των ράβδων αναλωμένου καυσίμου. Η ακτινοβολία χρησιμοποιείται σε πειράματα φυσικής σωματιδίων για να βοηθήσει στην αναγνώριση της φύσης των σωματιδίων που εξετάζονται. Χρησιμοποιείται στην ιατρική απεικόνιση και στην επισήμανση και την ανίχνευση βιολογικών μορίων για την καλύτερη κατανόηση των χημικών οδών. Η ακτινοβολία Cherenkov παράγεται όταν οι κοσμικές ακτίνες και τα φορτισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα της Γης, έτσι ανιχνευτές είναι που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση αυτών των φαινομένων, για την ανίχνευση νετρίνων και για την μελέτη αστρονομικών αντικειμένων που εκπέμπουν ακτίνες γ, όπως η σουπερνόβα υπολείμματα.

• Η ακτινοβολία Cherenkov μπορεί να συμβεί σε κενό, όχι μόνο σε ένα μέσο όπως το νερό. Σε ένα κενό, η ταχύτητα φάσης ενός κύματος μειώνεται, όμως η ταχύτητα φορτισμένου σωματιδίου παραμένει πλησιέστερη προς (αλλά λιγότερο από) την ταχύτητα του φωτός. Αυτό έχει μια πρακτική εφαρμογή, καθώς χρησιμοποιείται για την παραγωγή μικροκυμάτων υψηλής ισχύος.
• Εάν τα σχετικιστικά φορτισμένα σωματίδια χτυπήσουν το υαλώδες χιούμορ του ανθρώπινου ματιού, μπορεί να παρατηρηθούν λάμψεις της ακτινοβολίας Cherenkov. Αυτό μπορεί να συμβεί από την έκθεση σε κοσμικές ακτίνες ή σε ατύχημα πυρηνικής κρισιμότητας.